Da construção de arquiteturas híbridas ao enfrentamento de questões fundamentais complexas, o físico quântico Mauro Paternostro descreve o vasto potencial oferecido pelo cenário da tecnologia quântica
Estamos no meio de um renascimento quântico, com pesquisadores da academia e da indústria competindo para “vencer” a corrida da computação quântica. O mercado quântico está em expansão, com inúmeras empresas, grandes e pequenas, a investir nesta tecnologia, apoiadas por enormes financiamentos governamentais em todo o mundo.
Mauro Paternostro, físico quântico da Universidade de Palermo e da Queen's University Belfast, é especialista em processamento quântico de informações e tecnologia quântica. Trabalhando nos fundamentos do assunto, sua equipe está realizando pesquisas pioneiras em optomecânica de cavidades, comunicação quântica e muito mais. Ele também é editor-chefe da revista IOP Publishing Ciência e Tecnologia Quântica.
Nesta ampla entrevista, Paternostro fala com o Comissariado de Tushna sobre suas opiniões sobre o cenário quântico – desde os “quatro pilares” da tecnologia quântica e arquiteturas híbridas até o casamento promissor entre a tecnologia quântica e a inteligência artificial (IA). Paternostro também sublinha a necessidade de financiamento governamental contínuo para concretizar o verdadeiro potencial desta tecnologia que muda o mundo.
Vimos a bolha quântica explodir na última década, mas quais são as vantagens e riscos potenciais da expansão exponencial nas empresas de tecnologia quântica e no financiamento em todo o mundo?
No geral, o quadro é muito positivo. O processamento de informação quântica precisava de um impulso da indústria, à medida que as empresas pudessem impulsionar os desenvolvimentos mais pragmáticos que o campo necessita. A perspectiva que a indústria oferece está ajudando a moldar as tecnologias quânticas de uma forma mais focada, no que diz respeito aos objetivos gerais. O mercado emergente e em expansão – seja na indústria ou na academia – é fantástico.
Mas, como você ressalta, houve um crescimento rápido. E embora isso seja principalmente uma coisa boa, há também um pouco de preocupação de que possamos estar criando uma grande bolha que irá estourar mais cedo ou mais tarde. Portanto, penso que é uma questão de controlo – precisamos de nos conter um pouco, permitindo ao mesmo tempo que a área de investigação cresça organicamente.
Estou um pouco preocupado com o número de pequenas empresas que parecem estar desenvolvendo seu próprio software quântico. Seus produtos têm muito pouco a ver com algoritmos quânticos verdadeiros e são tipicamente soluções de otimização clássicas – que têm seus próprios méritos. Mas não são necessariamente o que eu chamaria de estrutura quântica.
Por outro lado, algumas empresas spin-off estão mais orientadas para a implementação de plataformas de processamento quântico, como sensores quânticos. Estas são realmente interessantes, pois não se trata apenas da computação quântica, mas também de outras leis físicas.
Existem quatro pilares que sustentam o desenvolvimento da tecnologia quântica: computação quântica; simulação quântica; comunicação quântica; e sensoriamento quântico e metrologia. E eu diria que todos os quatro estão se desenvolvendo de forma muito saudável.
A detecção quântica parece ser uma das mais avançadas, juntamente com a comunicação, graças à maturidade das tecnologias que podem aproveitar. Embora o envolvimento da indústria seja benéfico e promissor, devemos ter cuidado com a especulação desenfreada e a “inflação” que advém da tentativa de entrar num autocarro rápido, sem ter em mãos a tarifa completa da viagem.
E embora muitas vezes eu seja cético em relação às empresas menores, às vezes também recebemos notícias preocupantes dos grandes players. Por exemplo, a empresa tecnológica chinesa Alibaba tinha interesse em desenvolver plataformas e soluções de computação quântica, até que repentinamente decidiu encerrar a sua equipa quântica interna no final do ano passado, afirmando que preferia concentrar-se em ser líder na investigação de IA.
Isto foi simplesmente uma decisão comercial ou o Alibaba está cheirando algo que ainda não cheiramos? Eu acho que vamos ter que esperar e ver. No geral, penso que o futuro é brilhante e que o envolvimento da indústria é uma notícia muito boa.
Há uma série de diferentes tecnologias de computação quântica disputando o primeiro lugar – desde íons aprisionados e pontos quânticos até supercondutores e qubits fotônicos. Qual você acha que tem maior probabilidade de sucesso?
Sou meio agnóstico, pois não acredito que o primeiro dispositivo quântico que construirmos será totalmente quântico. Sei que para alguns esta é uma opinião controversa, mas é uma opinião compartilhada por muitos outros na minha área. Acredito que acabaremos com uma arquitetura híbrida, onde o melhor computação de alto desempenho (HPC) fará interface com arquiteturas de computação quântica.
Talvez estes quantum ruidoso de escala intermediária (NISQ) As arquiteturas serão acompanhadas por uma arquitetura HPC completa que aumentará seu desempenho, ou vice-versa. Os recursos quânticos colocados à disposição por esse tipo de dispositivo híbrido melhorarão o desempenho que o atual HPC clássico pode produzir. Acredito firmemente na viabilidade desse tipo de arquitetura híbrida – uma solução totalmente quântica ainda está muito longe de onde estamos agora.
Além disso, não estou inteiramente convencido de que teremos a capacidade de gerir os enormes recursos que seriam necessários para tirar pleno partido da lacuna no poder computacional que um computador quântico ofereceria. Um objetivo de médio prazo visando esta arquitetura quântica híbrida de HPC será uma arquitetura muito mais realista – e potencialmente muito frutífera – de ser alcançada. Estou um pouco otimista de que algo acontecerá durante minha vida.
Você mencionou que sensores quânticos já estão sendo desenvolvidos para uma ampla variedade de aplicações, incluindo saúde, construção e até medição de gravidade. O que há de novo e interessante nessa área?
Os sensores quânticos estão desenvolvendo capacidades incríveis para investigar mecanismos que até agora eram elusivos. Essencialmente, estes sensores ajudam-nos a detectar melhor os potenciais efeitos quânticos de forças como a gravidade, que muitos investigadores no Reino Unido têm interesse em investigar. Uma fração substancial da comunidade experimental persegue estes objetivos – com o centro quântico da Universidade de Birmingham a liderar nesta frente.
Não creio que alguém afirme que exista uma plataforma experimental vencedora a seguir – tanto os átomos frios como a optomecânica são algumas das mais promissoras nesse aspecto. Mas o progresso teórico e experimental que esta área tem alcançado é muito interessante.
Sensores que possam sondar a natureza fundamental de mecanismos físicos indescritíveis serão, acredito, um desenvolvimento fundamental. E há outros dispositivos sensores, como acelerômetros ou geradores de imagens que já estão bem estabelecidos. O Programa Nacional de Tecnologias Quânticas do Reino Unido já fez avanços significativos nesse sentido, e a tecnologia está disponível e madura o suficiente para ter um impacto real.
Penso que as indústrias deveriam investir fortemente nesta área porque, juntamente com a comunicação, a detecção está na vanguarda das implementações de tecnologias quânticas nesta fase.
Definindo o cenário para um mercado quântico: onde os negócios quânticos estão e como eles podem se desdobrar
E a comunicação quântica?
A comunicação quântica é provavelmente o exemplo mais concreto de onde o progresso académico foi posto em prática, em benefício de metas lideradas pela indústria. Tem sido um exemplo absolutamente magnífico do que podemos alcançar quando estes dois componentes trabalham juntos.
Embora o progresso tenha sido fantástico, também existem aspectos controversos, especialmente quando consideramos as implicações geopolíticas mais amplas de uma rede quântica global. A questão da segurança das comunicações e dos dados tornar-se-á significativa, pelo que devemos considerar cuidadosamente as implicações mais amplas destes desenvolvimentos tecnológicos. As fronteiras geopolíticas estão em constante mudança e os seus objectivos nem sempre coincidem com os objectivos científicos.
Quais são algumas das principais áreas onde a IA e as tecnologias quânticas se cruzam? Onde eles se ajudam melhor e quais são os possíveis problemas?
Esta é uma pergunta muito importante. Escusado será dizer que o Santo Graal para ambas as áreas está muito próximo – tanto a IA como a computação quântica baseiam-se no desenvolvimento de novos algoritmos. Ouve-se pessoas falando sobre aprendizado de máquina quântico (ML) ou IA quântica, mas não é isso que realmente querem dizer. Eles não estão se referindo a algoritmos quânticos projetados especificamente para problemas de IA ou ML. O que eles querem dizer é a hibridização do aprendizado de máquina clássico ou da IA clássica com problemas quânticos.
Essas soluções dependerão do campo e do problema que estamos tentando resolver. Mas, em geral, estamos a olhar para técnicas clássicas de processamento de conjuntos de dados; otimização de problemas; resolver funções de custo; e controlar, otimizar e manipular problemas quânticos.
É muito promissor, pois você junta o melhor dos dois mundos. Do ponto de vista teórico, o objetivo é abordar questões no nível geral da mecânica quântica que precisam ser abordadas, e talvez os problemas maiores e mais complicados em termos de escala. Queremos construir ferramentas a nível algorítmico que permitam lidar com a complexidade desses problemas de forma certificável e consolidada.
E o interessante é que os experimentos começaram a acompanhar os desenvolvimentos teóricos. Já temos uma série de soluções, abordagens e metodologias que foram desenvolvidas neste cenário híbrido onde o ML e o processamento quântico de informações se unem.
Espero que esses experimentos sejam totalmente investigados nos próximos anos e não sejam pegos se a IA e a bolha quântica estourarem. Duvido que seja esse o caso, porque a IA veio para ficar, enquanto o ML é agora uma ferramenta imperdível usada por analistas de dados em todo o mundo. Se tivermos alguma ambição de aumentar a complexidade dos problemas que podemos e devemos enfrentar, então devemos concentrar-nos no desenvolvimento destas ferramentas.
Que novas iniciativas estão em curso nesta área?
No início deste ano, Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI) anunciou que está a financiar nove novos centros de investigação para “fornecer tecnologias revolucionárias de IA” para resolver problemas complexos, desde cuidados de saúde até energia, bem como 10 outros estudos para definir “IA responsável”. Sei que alguns deles têm uma componente quântica – especialmente nos cuidados de saúde, onde as soluções baseadas em IA são absolutamente fundamentais, mas também pode haver soluções quânticas.
Portanto, estou muito optimista quando se trata da fusão da IA e da tecnologia quântica, desde que o desenvolvimento de uma estrutura de IA seja regulamentado. Neste momento, o A Comissão Europeia está a formular o quadro jurídico para a sua Lei sobre IA, que abordará os riscos que a IA pode representar e o papel global que a UE espera desempenhar na regulação da tecnologia. Tanto o Reino Unido como os EUA já trabalham em quadros semelhantes há algum tempo, por isso deveríamos ter alguma política e regulamentação global formulada, mais cedo ou mais tarde.
Desde que este desenvolvimento siga uma política regulamentada com uma estrutura sólida, as interações da IA com as tecnologias quânticas deverão criar um mecanismo de feedback bidirecional útil que ajudará ambos os campos a crescer significativamente.
Quando se trata de financiamento de tecnologia quântica por governos em todo o cenário global, em quais áreas específicas você gostaria de ver mais investimentos?
Minhas doações! Mas, falando mais sério, o investimento a nível governamental tem sido generalizado e substancial para aquilo que é essencialmente ainda um campo científico emergente. Em comparação com algumas outras áreas que recebem financiamento científico, como a investigação militar ou médica, a quantidade de dinheiro que foi colocada em jogo é quase ridícula – mas é uma coisa muito boa para nós, claro. Um benefício deste tipo de despesa governamental é que nos obriga a formar uma comunidade e a definir objectivos partilhados.
Se nos referirmos aos quatro pilares acima mencionados, existe uma ligação subjacente entre a física fundamental e os desenvolvimentos teóricos. Diferentes países escolheram um ou mais pilares para se concentrarem, dependendo dos seus conhecimentos e recursos. Os EUA estão muito focados em computação. A UE está mais disseminada e, portanto, a situação é mais complexa, mas há um grande investimento em comunicações, bem como um interesse crescente na simulação, enquanto uma série de estratégias nacionais da UE também se concentram na detecção.
O Reino Unido também está a tentar cobrir todo o espectro, mas identificando alguns tópicos muito bem definidos, desde a imagem à computação, e da comunicação à detecção. Existem países como a Finlândia que têm uma abordagem mais experimental e estão focados em arquiteturas supercondutoras, pois já possuem enormes instalações disponíveis. Singapura, por outro lado, está desenvolvendo uma linha de pesquisa muito forte em comunicação quântica por satélite. Para um país pequeno, tem um enorme potencial, tanto em termos de talento como de recursos.
Assim, diferentes países desenvolveram a sua própria área de especialização, de forma orgânica. E ao fazê-lo, estamos todos a ganhar como comunidade – todos beneficiamos de todo o progresso que foi feito. Alguns pequenos passos, alguns passos mais incrementais, alguns enormes saltos quânticos.
Penso que será muito importante que os governos, nacionais e supranacionais, percebam que o investimento em tecnologias quânticas deve ser sustentado. É uma área que precisa de apoio contínuo e ininterrupto para atingir os seus objetivos elevados. E nós, como comunidade científica, devemos projectar uma imagem coerente com o mesmo conjunto de objectivos, apesar de quaisquer diferenças que tenhamos. Só então estaremos em melhor posição para traduzir as tecnologias quânticas em realidades que mudam vidas.
Como o novo editor-chefe da Ciência e Tecnologia Quântica (QST), qual a sua visão para a revista?
É uma grande honra e estou absolutamente lisonjeado, mas também é um grande esforço, dado o cenário em evolução dos periódicos relacionados à quântica. O que desejo para a revista é garantir que a QST continue sendo um dos caminhos preferidos para a submissão de contribuições de alto nível. Mas também quero ajudar a moldar o manifesto da revista e os seus objetivos.
Minha primeira prioridade como editor-chefe tem sido, portanto, estabelecer um conselho executivo que, juntamente com o apoio do conselho editorial, defina o escopo e a missão da revista de maneira clara. E isso informará a forma como a revista se desenvolverá nos próximos anos, orientada pela comunidade de pesquisa quântica. Em termos de escopo, gostaria de ver mais atualizações experimentais de alta qualidade que ampliassem os limites da implementação de tecnologias quânticas.
A IOP Publishing tem um acordo transformador (TA) com a sua instituição, em termos de publicação em acesso aberto. Você pode me falar sobre isso?
Penso que foi um acordo revolucionário no que diz respeito à publicação dos nossos resultados. Com os critérios rigorosos que os conselhos de investigação impuseram aos resultados apoiados por subvenções – do Conselho de Investigação em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), por exemplo – e a necessidade de que sejam totalmente acessíveis e que os dados estejam totalmente disponíveis para a comunidade, ter uma AT que garanta acesso aberto é o que precisamos. É ótimo ter a tranquilidade de saber que a publicação IOP é um caminho viável para publicar meus resultados compatíveis com EPSRC.
Além do cumprimento do financiamento, o acordo IOPP elimina a carga administrativa de lidar com faturas relativas aos encargos de publicação de artigos (APCs), o que é um grande alívio para os cientistas. Tenho defendido o alargamento da iniciativa – estabelecendo acordos semelhantes com outras editoras – mas também garantindo que esta não seja uma experiência única que desapareça no próximo ano ou depois. Deveríamos tornar sistémico o modo como as instituições não só do Reino Unido, mas, no que me diz respeito, da Europa estão envolvidas. Deve ser encapsulado desde o início, na forma como as instituições de ensino superior e os institutos de investigação funcionam. Garantir que haja sinergia entre editoras e universidades ou institutos de pesquisa é crucial.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
