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Controle de Sistemas Quânticos: o caminho para a computação quântica?

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O controle de sistemas quânticos (ou controle quântico) consiste na manipulação desses sistemas pela ação de campos e/ou interação com outros sistemas quânticos visando determinar/delimitar deliberadamente seu comportamento. Tipicamente, o problema consiste em conduzir um dado sistema quântico de um estado inicial para um estado …nal prestabelecido:

“The systems-theoretic concept of controllability is elaborated for quantum-mechanical systems, su¢ cient conditions being sought under which the state vector   can be guided in time to a chosen point in the Hilbert space H of the system. The Schrödinger equation for a quantum object in‡uenced by adjustable external …elds provides a state-evolution equation which is linear in   and linear in the external controls (thus a bilinear control system).””
Huang & Tarn & Clark [1]

Especialistas em teoria da informação e computação quântica consideram o controle quântico essencial para o desenvolvimento de tecnologias de informação e computação quântica:

““The universality of any quantum computing element can be understood and veri…ed via a precise mathematical criterion which tests for the controllability of an associated quantum control system. This relation between quantum computing and quantum control is deeper in that tools of coherent control of quantum dynamics may be used to arrive at speci…c designs for quantum computing devices”.”

Ramakrishna & Rabitz [2]

“”The development of general principles of quantum control theory is an essential task for a future quantum technology.””

Dowling & Milburn [3]

“The integration of quantum physics and engineering methodologies has become one of the most interesting and potentially transformative programs relating to emergent technologies.””

Gough & Belavkin [4].

A relevância da teoria do controle de sistemas quânticos pode ser ilustrada pelo Prêmio Nobel de Física do ano 2012. O prêmio foi concedido a Serge Haroche e David J. Wineland pelo desenvolvimento de técnicas experimentais para mensuração e manipulação de sistemas quânticos individuais (especi…ficamente, íons em armadilhas e fótons em cavidades) que preservam propriedades quânticas sui generis, tais como pureza e emaranhamento. Tais técnicas estão baseadas no controle de sistemas quânticos e são especialmente notáveis porque tornam possível investigar em laboratório fenômenos quânticos bastante sutis e intrigantes, tais como o chamado Paradoxo do Gato de Schrödinger. O artigo da Real Academia Suíça de Ciências alusivo à premiação salienta as implicações teóricas e tecnológicas desse trabalho, destacadamente na área da computação quântica:

“David Wineland and Serge Haroche have invented and implemented new technologies and methods allowing the measurement and control of individual quantum systems with high accuracy. Their work has enabled the investigation of decoherence through measurements of the evolution of Schrödinger’s cat like states, the …rst steps towards the quantum computer, and the development of extremely accurate optical clocks.”” Link! (14/02/2013)

A teoria do controle quântico é uma área em franco desenvolvimento, com amplas perspectivas de avanços teóricos e em técnicas experimentais:

“To some extent this an ongoing program [on quantum control] is still speculative as the current state of physical quantum control is strikingly dissimilar to its classical counterpart: one major anomaly is the fact that modern classical control deals almost exclusively with feedback system, whereas this features in only a relatively small fraction of theoretical work on quantum control, and even rarer in experiment. However, we would argue that this is only a temporary situation, and that the future development of the …field will see the powerful insights of classical control theory emerging again in the quantum setting.””
Gough & Belavkin [5, p.1399].

Pesquisadores brasileiros têm estudado o controle de sistemas quânticos, alguns com destaque:

  • Agência Fapesp: Pesquisadores avançam no desenvolvimento da computação óptica. JC e-mail 4664, de 14 de Fevereiro de 2013. Link!
  • O. Jiménez Farías, C. Lombard Latune, S. P. Walborn, L. Davidovich, P. H. Souto Ribeiro: Determining the Dynamics of Entanglement. Science 12 June 2009: Vol. 324 no. 5933 pp. 1414-1417. DOI: 10.1126/science.1171544

References

[1] G.M. Huang, T.J. Tarn, J.W. Clark: On the controllability of quantum-mechanical systems. J. Math.
Phys. 24 (1983): 2608–2618. DOI: 10.1063/1.525634.

[2] V. Ramakrishna, H. Rabitz: Relation between quantum computing and quantum controllability. Phys. Rev. A 54 (1996): pp.1715-1716. DOI: 10.1103/PhysRevA.54.1715.

[3] J.P. Dowling, G.J. Milburn: Quantum technology: the second quantum revolution. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond., vol. 361(1809) (2003): 1655–1674.

[4] J. E. Gough, V. P. Belavkin: Editorial. Quantum Information Processing (2013) 12(3) (March 2013): 1395–1396. DOI: 10.1007/s11128-012-0494-4.

[5] J. E. Gough, V. P. Belavkin: Quantum control and information processing. Quantum Information Processing 12(3) (March 2013): 1397-1415. DOI: 10.1007/s11128-012-0491-7.

São Mateus – ES, 23/02/2013

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A razão entre a massa dos prótons e a massa dos elétrons

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Observações recentes mostram que a razão entre a massa dos prótons e a massa dos elétrons tem se mantido constante ao longo da história do Universo: “os elétrons e prótons das moléculas antigas têm massas relativas indistinguível daquelas medidas hoje nos laboratórios da Terra”.

Mais precisamente, medidas espectroscópicas das linhas de absorção do metanol no sistema PKS 1830-211 indicam que a razão entre a massa dos prótons e a massa dos elétrons a sete bilhões de anos atrás “não pode diferir do valor atual por mais de 0,00001 porcento”.

Esse tipo de resultado experimental é bastante importante, pois nos permite descartar muitas propostas teóricas que supõem que as constantes fundamentais variam no tempo.

REFERÊNCIA
Nature: Relative masses of 7-billion-year-old protons and electrons confirmed to match those of today’s particles. Nature, 14 December 2012. DOI: 10.1038/nature.2012.12049.

Informação Quântica: teleportação e internet quântica

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A “teleportação quântica” já se tornou realidade e está sendo desenvolvida com amplas perspectivas científicas e tecnológicas (e econômicas), dentre as quais destaca-se a criação de uma “internet quântica” (uma “rede supersegura de comunicação global”).

Recentemente, foram feitas duas importantes conquistas:
– a construção de uma rede elementar para armazenagem e troca de informação quântica: [Matson2012].
– a teleportação de informação quântica através distâncias macroscópicas (16Km): [Merali2012].

Atualmente, os desenvolvimentos estão sendo feitos principalmente no contexto da “óptica quântica” – área da teoria quântica dedicada ao estudo da luz e sua interação com a matéria.

Cabe salientar que na vanguarda das pesquisas sobre teleportação quântica está um chinês: Jian-Wei Pan. Ele tem pesquisado e conduzido desde 2001 a criação de infra-estrutura para estudos e aplicações da teleportação quântica na China.

Teoricamente, a capacidade para manipular a informação quântica cria novas oportunidades para a pesquisa sobre os fundamentos da teoria quântica.
REFERÊNCIAS

[Matson2012] J. Matson: First universal quantum network prototype links two separate labs. Nature, 12 April 2012. DOI: 10.1038/nature.2012.10441.

[Merali2012] Z. Merali: Data teleportation: the quantum space race. Nature 492 (06 December 2012): 22–25. DOI: 10.1038/492022a.

São Mateus – ES, Dezembro de 2012

(Sub)Cultura da Bobagem

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No Brasil e no mundo, a boa educação (formal e informal) tem atualmente encontrado diversos obstáculos para adequada realização. Há várias razões para essa situação lastimável, mas quero aqui destacar apenas a influência perniciosa de algo que alcança o status de um paradigma: a cultura da bobagem. Defino esse termo como um conjunto de ideias, conceitos e comportamentos banais/medíocres disseminados informalmente, mormente pelos meios de comunicação de massa – e sobretudo pela televisão [*]. A cultura da bobagem é mormente um meio ao invés de um fim em si mesma, sendo que os interessados na sua promoção pretendem principalmente difundir idéias, induzir o consumo de determinados produtos ou simplesmente prender a atenção das pessoas. A cultura da bobagem ilustra a amplitude e profundidade do contínuo “assédio marketeiro” sobre a sociedade. Parece que não há limites para os métodos de manipulação, embora todos sejam variações do mesmo tema: a exploração aviltante de impulsos e emoções humanas; o ápice desses métodos são engodos sutis que suscitam a impressão de liberdade, autonomia, afirmação, realização pessoal: nesse caso, as pessoas mais enganadas são aquelas que acolhem a idéia, compram o produto ou dão seu tempo crendo que fazem isso deliberadamente.

Será possível resistir? Quem tem força e vontade para tanto…?

É fundamental desenvolver uma postura crítica, a capacidade para julgar as idéias e comportamentos.

É fundamental ser capaz de perceber os fins pretendidos e meios utilizados pelos marketeiros, bem como ter uma boa consciência do que ganha e do que se perde pela assunção de determinados elementos culturais.

No livro “A Era da Manipulação”, Wilson Bryan Key discute diversos métodos subliminares de manipulação usados na mídia. Quando li o livro (por volta de 1991), achei a leitura impressionante e acredito que o livro ainda pode servir para despertar consciências.

Cabe citar uma opinião pertinente:

“Esta geração é light. Isso quer dizer que tende a buscar resultados sem esforço (baixos teores), como no caso da lipoaspiração e da ginástica passiva. No primeiro caso, você perde 30 quilos sem precisar fazer dieta (compra seu emagrecimento por meio de uma cirurgia); no segundo, faz exercícios sem fazer força (fazer força é coisa para guindaste). Aplicada à cultura, a geração light está desaprendendo a ler, a cultivar conversas profundas (e demoradas), preferindo fixar-se em clichês, chavões e comentários sobre assuntos apresentados na televisão. O máximo de aprofundamento a que chega é uma análise psicanalisante (está na moda falar de interioridades) de algum aspecto da vida, … . Se você analisar uma conversa, seja de jovens, seja de adultos, verá que ela se resume a comentar fatos do cotidiano… . O indivíduo espirituoso de antigamente – aquela personalidade viva, perspicaz, de tirocínio agudo, raciocínio rápido, e às vezes até mordaz em suas tiradas – se transformou no divertido. A pessoa divertida é aquela personalidade alegre e extrovertida, capaz de dizer um monte de bobagens e piadinhas de sentido duplo (seja na direção da indecência, seja na do “nenhum sentido”). Mas está em alta, porque o meio social quer diversão.“ Rubem Amorense: Icabode. Editora Ultimato (1998): pp.125-126.

[*] A capacidade de influência cultural da mídia é bastante significativa, como também é grande sua capacidade para sustentar o exorbitante consumo de supérfluos no país e no mundo. O Prof. Mário Sérgio Cortella (PUC-SP) discute a educação realizada pela mídia numa palestra apresentada num “Fórum Internacional sobre Criança e Consumo (2011)”: A Mídia como Corpo Docente (acessado em 22/03/2013). Dessa palestra, destaco a citação de François Rabelais feita pelo Prof. Cortella: “conheço muitos que não puderam quando deviam porque não quiseram quando podiam.” Cortella acrescenta: “A gente pode, deve e tem de querer; do contrário, a gente desiste e aí apodrece o que falta.”
Registro também duas idéias apresentadas na palestra:
– Se a mídia nos faz mal é porque permitimos. A frase do Prof. Cortella que resume essa idéia (referindo-se especificamente a influência da mídia sobre os filhos): “[a mídia] abre porta onde a gente deixou a porta destrancada”.
– “Nossa tarefa é impedir que as nossas gerações que conosco partilham a vida, [que] elas sejam destrutivas, que elas sejam consumistas, que elas sejam ególatras, que elas sejam capazes de esquecer que a regra básica não é, não é e não pode ser, cada um por si e Deus por todos, mas a regra é outra é um por todos e todos por um.”


 O Reinado de Estupidez
Duas coisas me confundem,
e uma terceira eu não entendo:
Que um jovem se dedique a sandices,
Que se gabe delas,
E que amigos o louvem por isso!
Talvez haja uma explicação:
Numa nação de tolos,
A ignorância é virtude,
Os idiotas são príncipes,
e o mais bruto reina todos!

Lúcio Fassarella
São Mateus – ES, 10 de Outubro de 2012

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Breve opinião sobre o SISU

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Considero excelente a iniciativa de universalizar o processo de seleção para ingresso nas universidades e institutos federais de educação superior (Ifes), no sentido de permitir que todos os interessados possam concorrer a todas as vagas em todas as instituições, e isso através de um exame único e bem elaborado.

A idéia do Sistema de Seleção Unificada (SISU) desenvolvida pelo MEC tem diversas implicações positivas, as quais superam largamente os aspectos negativos. Destaco os seguintes pontos positivos:

– Democratização dos processos seletivos para o ensino superior público, na medida em que torna possível aos candidatos concorrer a todos os cursos cadastrados no sistema, e isso de modo eficiente e sem custos financeiros;

– Promoção da “boa concorrência” entre estudantes e entre instituições: concorrência entre os estudantes pelas melhores instituições e concorrência entre as instituições pelos melhores estudantes;

– Eliminação de trabalho e despesas dispendidos pelas Ifes com a realização de vestibulares;

– Redução do não-preenchimento de vagas, principalente nos cursos que têm baixa concorrência;

– Aumento da transparência dos processos seletivos para ingresso nas Ifes, por retirar essa incumbência das instituições;

– Estímulo à iniciativa de realizar curso superior, principalmente entre os residentes nas cidades onde as Ifes não oferecem cursos.

Aspectos negativos vão existir em qualquer proposta de seleção para ingresso as Ifes. Destaco as seguintes consequências negativas decorrentes da adoção do SISU:

– A elevação da importância do ENEM ao status de “vestibular nacional” gera o risco de que possíveis problemas nesse exame num determinado ano prejudiquem amplamente o ingresso nas Ifes e gere enormes despesas compensatórias;

– Retardamento na definição das turmas de calouros, cujo efeito dependerá dos métodos e períodos de matrículas a serem adotados pelas Ifes;

A questão da universalização dos processos seletivos para ingresso nas Ifes tem natural relações com outras questões prementes, especialmente com as políticas de apoio à permanência dos estudantes e desempenho acadêmico. Seguem algumas considerações pertinentes.

Para cursos que são bastante concorridos, o SISU pode não melhorar significativamente suas estatísticas sobre preenchimento de vagas e rendimento médio dos acadêmicos. Entretanto, considero que a questão precisa ser encarada como política institucional (senão como política federal), de modo que seja evitado qualquer casuísmo motivado pela mera conveniência ou lides de pequena importância.

Para cursos que têm baixa concorrência e que são procurados majoritariamente por pessoas com limitações financeiras, o SISU não basta: é preciso também (i) estimular o interesse por esses cursos, (ii) amparar com suporte financeiro a permanência dos estudantes carentes (iii) subsidiar o bom desempenho acadêmico com infra-estrutura adequada, bem como com um corpo técnico e docente qualificado e comprometido.

Essas ações são urgentes para cursos que têm importância estratégica e são fundamentais para o desenvolvimento técnico-científico e cultural do país mas que (historicamente) têm tido baixa procura, baixa proporção de formandos em relação ao número de ingressantes e cujo pefil discente médio é desfavorecido economicamente. Essa situação é típica de alguns cursos da UFES, particularmente dos cursos de Licenciatura e Bacharelado em Matemática do CEUNES.

Infelizmente, no CEUNES/UFES faltam instalações e programas eficientes para permanência de estudantes que não residam na cidade e/ou que não possuam recursos financeiros para custear suas despesas pessoais e gastos acadêmicos. Se continuar assim, para alguns cursos do CEUNES, os efeitos positivos da adoção do SISU ficam bastante limitados. Isso é lamentável especialmente porque imagino que muitos estudantes fora de São Mateus poderiam vir estudar no CEUNES se tivessem a garantia de poder morar e se manter na cidade com razoável qualidade.

Finalmente, aproveito para apresentar a idéia de um programa para estímulo e permanência de alunos dos cursos de Licenciatura e Bacharelado em Matemática do CEUNES [*]: oferecer uma bolsa mensal (1 salário mínimo, aproximadamente) para todos os ingressantes nesses cursos durante o primeiro semestre letivo, com renovação automática condicionada apenas a um razoável desempenho acadêmico. A idéia é simples e também relativamente barata: 30 bolsas no valor de 1 salário mínimo custariam hoje em torno de R$18.000,00 – aproximadamente o valor do salário de apenas um professor titular; já o custo mensal com 120 bolsistas (4 turmas com 30 alunos em média) seria menor do que R$80.000,00 – valor aproximado da verba de gabinete de um único deputado federal [**]. Tenho certeza de que projetos assim tornariam o investimento financeiro nos cursos de Matemática do CEUNES mais compensatório a médio e longo prazo, no sentido de, no médio prazo, aumentarem significativamente a razão entre o número de alunos formandos e os custos de manutenção dos cursos e, no longo prazo, constituirem um contingente de matemáticos profissionais para atuarem no ensino, na pesquisa e no desenvolvimento tecnológico do país.

[*] Esse tipo de proposta é atual porque neste momento não há nenhum projeto institucional em andamento na UFES voltado para o estímulo e apoio dos alunos nos cursos de Licenciatura e Bacharelado em Matemática no CEUNES capaz de significativamente aumentar a concorrência pelo ingresso, reduzir os índices de evasão e melhorar o desempenho acadêmico. (Destaco que o PIBID contempla menos de 20 bolsistas do curso de Licenciatura em Matemática do CEUNES e que um programa PET mais projetos de iniciação científica poderia envolver um número similar de alunos do curso de Bacharelado em Matemática, sendo o valor das bolsas R$400,00 ou algo próximo disso.) A proposta também é oportuna diante das diversas manifações contra a necessidade/utilidade de aplicar 10% do PIB na educação. Aliás, muitas dessas manifestações nos levantam a suspeita de falta de imaginação e falta de interesse político…

[**] G1 – Política, 04/07/2012: Câmara aumenta verba de gabinete de R$ 60 mil para R$ 78 mil. [Link! 16/09/2012] Eu sinceramente acho que o custeio de 120 alunos do curso de Bacharelado em Matemática do CEUNES traria mais retorno para o Brasil do que o que atualmente se gasta com um dos 513 deputados federais e seus respectivos gabinetes…

São Mateus – ES, 15 de Setembro de 2012

Atualizações

  1. O Governo Federal institui a Bolsa Permanência para estudantes das universidades federais de baixa renda. Eu apoio a iniciativa, mas penso que a manutenção do benefício para além do primeiro ano deveria estar condicionada a critérios de rendimento no curso tais como: aprovação em pelo menos 3 disciplinas por semestre letivo, não ocorrência de reprovação por infrequência (sem adequada justificativa), não ocorrência de 3 reprovações numa mesma disciplina (sem adequada justificativa), etc. Condicionar a bolsa ao rendimento escolar não é apenas razoável, mas também justo – um dever que segue naturalmente do direito: imagino que, mesmo os estudantes das universidades federais ficariam indignados com a situação de ter colegas recebendo uma bolsa sem nenhuma contrapartida por isso, podendo até mesmo ficar sem estudar e frequentar as aulas. Além disso, há o aspecto da coerência: como o Governo Federal tem imposto as universidade federais exigências de rendimento (dentre elas uma relação mínima entre o número de alunos concluintes e o número de alunos ingressantes em cada curso), ele deveria também exigir rendimento dos alunos que recebem bolsa pelo simples fato de estarem matriculados. Entretanto, “Speller [secretário de Educação Superior do MEC] informou que não será exigida contrapartida de desempenho acadêmico nem frequência às aulas. O período de concessão do benefício é limitado a dois semestres além da duração regular do curso” [Link!11/05/2013]. Enfim, só podemos torcer para que a idéia não atrapalhe ao invés de ajudar (como deveria)…

    Referências:
    – O Globo (RJ): Universitários de baixa renda terão bolsa de R$ 400 em federais; para indígenas e quilombolas, benefício será de R$ 900 por mês. Link(11/05/2013)!
    – O Estado de São Paulo (SP): Bolsa universitária paga mais para índio; Governo lança benefício de R$ 400 para estudantes de escolas federais; para indígenas e quilombolas, porém, valor é de R$ 900. Link(11/05/2013)!]

  2.  O SISU depende fundamentalmente de um exame nacional para avalisar/selecionar os candidatos a vagas na educação superior. Considerando as dimensões do Brasil e a importância desse exame, o MEC deve constituir uma equipe extremamente competente para elaborar/corrigir a prova e também gerenciar um contingente suficientemente grande de pessoas para distribuir, aplicar e recolher as provas mantendo o sigilo e a segurança das informações. As dificuldades tornam previsíveis a ocorrência de problemas! O ENEM tem sido utilizado como o exame do SISU e não faltam críticas…

    Referências:
    – Estado de Minas (MG): Refazer o Ensino Médio. Link (05/06/2013)! Citação: “Estamos cada vez mais próximos de abandonar o Ensino maçante, baseado na memorização, para propagar o aprendizado intuitivo e focado no desenvolvimento da capacidade de sempre mobilizar, articular e colocar em prática conhecimentos, habilidades, atitudes, valores e emoções.”
    – J. Serra: O MEC deve desculpas aos estudantes. Link (28/03/2013)!

  3. A UFES aderiu parcialmente ao SISU em 2013, para os cursos do CEUNES e do CCA que realizam o Processo Seletivo Simplificado (vestibular de inverno). A decisão foi tomada no dia 13 de Março pelo Conselho de Ensino, Pesquisa e Extensão; segundo o Reitor, Reinaldo Centoducatte: “Para nós, que estamos iniciando com cursos do Ceunes e do CCA, será uma fase de experimentação e avaliação, tanto quanto à ampliação do número de candidatos quanto à efetividade do Enem como processo seletivo” (link,18/03/2013).