Resumo interno:
- As tecnologias quânticas desafiam os métodos estabelecidos de engenharia de sistemas, introduzindo propriedades não clássicas que complicam os processos de projeto, verificação e integração.
- As aplicações em sistemas de navegação e radar demonstram o potencial da tecnologia quântica, embora a implementação prática precise superar restrições de tamanho, eficiência energética e custos.
- A integração de sistemas quânticos requer novos métodos de engenharia de sistemas, incluindo o isolamento de efeitos quânticos dentro de subsistemas e o desenvolvimento de modelos preditivos concebidos para fenómenos quânticos para reduzir as ineficiências de tentativa e erro.
- O artigo da QinetiQ, Thales, DSTL e outros promove uma nova disciplina – engenharia de sistemas quânticos – que combina inovação e colaboração interdisciplinar, promovendo a alfabetização quântica para todos os formuladores de políticas, líderes industriais e engenheiros.
Quando a física quântica surgiu, há mais de um século, avançou a nossa compreensão do universo, revelando fenómenos como a superposição e o emaranhamento. Hoje, a mecânica quântica continua a confundir até mesmo cientistas experientes, mas os seus princípios estão agora a ser postos em prática na inovação tecnológica. No entanto, este progresso não ocorre sem desafios, uma vez que os sistemas quânticos não fazem falsas afirmações de simplicidade. Entre esses desafios, destaca-se um: como podemos integrar o comportamento imprevisível e incomum dos sistemas quânticos na estrutura bem estabelecida da engenharia tradicional? Num white paper recente apresentado pela QinetiQ, Thales, DSTL e outros, a engenharia de sistemas – focada no design e gestão de sistemas complexos – precisa de se adaptar e evoluir dentro deste ambiente em evolução.
DESAFIOS ÚNICOS DA INTEGRAÇÃO QUÂNTICA
As tecnologias quânticas têm potencial para avanços profundos na navegação, nos cuidados de saúde e nas comunicações, mas a sua integração em sistemas mais amplos apresenta uma tensão incómoda entre expectativas antigas e muitas realidades. A engenharia de sistemas, há muito guiada pelos princípios da previsibilidade e estabilidade, enfrenta um desafio novo e intratável: como acomodar o comportamento incontrolável e irregular que os sistemas quânticos exibem desafiadoramente. Conforme destacado no artigo, métodos como o modelo de ciclo de vida do diagrama V, construído com base na certeza, são difíceis sob o peso da imprevisibilidade quântica.
O cerne da questão é a arquitetura que reescreve as regras. O não-determinismo substitui a certeza de resultados e probabilidades previsíveis, transformando o design e a validação em testes de probabilidade em vez de certeza. A armadilha cria efeitos não locais que ignoram os limites do sistema. Depois, há a fraqueza dos estados quânticos que mesmo pequenas perturbações ambientais podem perturbar. Para complicar ainda mais as coisas está o crescimento exponencial de estados quânticos potenciais à medida que os sistemas escalam. Em aplicações onde a precisão e a confiabilidade não são negociáveis, a impossibilidade de testes perfeitos entra em conflito com a necessidade de robustez. Claramente, os sistemas quânticos exigem um repensar das estruturas e pressupostos que há muito dominam a prática da engenharia.
BENEFICIANDO-SE DOS DESAFIOS DAS TECNOLOGIAS QUÂNTICAS EM SISTEMAS PRÁTICOS
A tecnologia quântica já iniciou o árduo trabalho de provar o seu potencial em aplicações como sistemas de navegação e radar, embora a sua abordagem esteja longe de ser simples. Os sistemas padrão de navegação por satélite em todo o mundo são conhecidos pela sua precisão, mas são instáveis diante de interferências, sejam elas obstáculos naturais ou interferências intencionais. Os métodos de retrocesso – como a navegação inercial – sofrem com o desvio do sensor que destrói lentamente a precisão. Sensores quânticos, como acelerômetros e giroscópios, podem fornecer alta precisão e baixo desvio. Esses dispositivos podem ser usados para navegar em áreas onde o GNSS é proibido. Mas para conseguir uma adoção generalizada, os sensores quânticos devem ser mais pequenos, mais eficientes em termos energéticos e acessíveis – um obstáculo de engenharia, sem dúvida.
A história do radar quântico segue um arco semelhante que provavelmente será desafiado. As áreas urbanas, com a sua densidade de edifícios e ruído, apresentam dificuldades para os sistemas de radar convencionais, onde o ruído de fase pode obscurecer sinais fracos. Os relógios quânticos, que atuam como osciladores altamente estáveis, podem fornecer uma solução, reduzindo esse ruído e permitindo que os sistemas de radar detectem objetos pequenos ou lentos, como drones, a grandes distâncias. O potencial estende-se ainda mais aos sistemas de radar distribuídos, onde estes relógios podem levar a uma cobertura mais ampla e a uma maior sensibilidade. No entanto, a integração de relógios quânticos em tais sistemas levanta a questão: como pode a sua precisão ser mantida através das redes sem comprometer o seu desempenho? Tal como acontece com todos os saltos quânticos, a resposta pode ser encontrada algures na intersecção entre inovação e adaptação.
Conforme fica claro no artigo, a integração da tecnologia quântica em sistemas mais amplos requer uma nova perspectiva na engenharia de sistemas. Outra abordagem consiste em isolar e conter efeitos quânticos. Ao tratar as partículas quânticas como subsistemas independentes com interfaces bem definidas, o seu impacto no sistema circundante pode ser cuidadosamente gerido. Um sensor quântico, por exemplo, pode ser projetado para operar de forma autônoma, permitindo que a estrutura primitiva mantenha sua integridade e utilizando processos de engenharia comuns de um grande sistema. Esta estratégia fornece uma importante medida de controle.
Mas o isolamento, embora útil, não é suficiente para lidar com as complexidades da integração quântica. O campo precisa de modelos preditivos projetados especificamente para fenômenos quânticos. Sem eles, o processo de concepção e validação de sistemas torna-se um ciclo dispendioso de tentativa e erro – uma tecnologia frustrantemente ineficiente que exige precisão. Além disso, os desafios da integração quântica não podem ser resolvidos isoladamente por um único campo. Conforme recomendado no estudo, engenheiros de software, físicos quânticos e engenheiros de dispositivos devem se unir em um esforço colaborativo. Através de uma comunicação eficaz e de métodos partilhados, a lacuna entre a estabilidade clássica da engenharia tradicional e a imprevisibilidade dinâmica dos sistemas quânticos pode ser colmatada.
APRESENTANDO NOVOS PROJETOS: INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS QUÂNTICOS
As complexidades inerentes à integração quântica apontam para a necessidade de um campo especializado: a engenharia de sistemas quânticos. Conforme observado no documento, esta resolução será dedicada a enfrentar os desafios das tecnologias quânticas, garantindo ao mesmo tempo a sua integração suave nos sistemas clássicos. Ele será projetado para criar estruturas reutilizáveis, ferramentas preditivas e métodos projetados para o domínio quântico. Além disso, pode enfrentar as complexidades dos sistemas quânticos, onde os fenómenos quânticos não são isolados, mas afetam todas as camadas do sistema, tornando a integração um esforço mais complexo.
Construir tal disciplina, contudo, requer mais do que avanços tecnológicos. Conforme mostrado no artigo, isso requer uma mudança cultural nas comunidades de engenharia e científica. A literacia quântica deve ir além dos laboratórios e chegar às fileiras de tomada de decisão dos decisores políticos e dos líderes industriais. Estas partes interessadas precisam de uma compreensão clara das oportunidades e desafios apresentados pela tecnologia quântica. Ao mesmo tempo, engenheiros e cientistas devem estar equipados com as competências necessárias para conceber e implementar estes sistemas de forma eficaz.
Conforme mencionado no artigo, desenvolver este nível de compreensão e especialização requer uma abordagem diferente. Programas de formação, redes profissionais e estruturas estabelecidas serão ferramentas importantes na criação de uma força de trabalho qualificada, capaz de lidar com as exigências da engenharia de sistemas quânticos. Os esforços de colaboração entre governos, universidades e indústria serão igualmente críticos, garantindo que estes programas estejam bem alinhados e tenham impacto. Ao construir esta base, a engenharia de sistemas quânticos pode evoluir para uma disciplina capaz de transformar tecnologias quânticas em soluções práticas e integradas.
ACABANDO COM A CONTROVÉRSIA
A integração da tecnologia quântica nos sistemas existentes apresenta muitos desafios e oportunidades. À medida que os sistemas quânticos se desenvolvem, eles obrigam-nos a reavaliar pressupostos fundamentais em engenharia, convidando a novas ideias. A interação entre a sua natureza imprevisível e a estabilidade dos processos estabelecidos põe à prova a estrutura e a gestão do comum e requer adaptação.
Como este artigo destaca, este período de inovação quântica lembra a primeira revolução quântica, que mudou fundamentalmente a nossa compreensão do mundo físico. Agora, nesta segunda onda, temos a tarefa não apenas de compreender e utilizar fenómenos quânticos, mas também de redefinir as estruturas que definem a própria engenharia.
