Uma revisão sistemática da literatura sobre o ensino de Computação Quântica

Frare, Vitória Luiza Fernandes; Araujo, Ives Solano; Veit, Eliane Angela

doi:10.1590/1806-9126-RBEF-2024-0253

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Revista Brasileira de Ensino de Física

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Sumário

Pesquisa em Ensino de Física • Rev. Bras. Ensino Fís. 46 • 2024 • https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2024-0253 copiar

Uma revisão sistemática da literatura sobre o ensino de Computação Quântica

A systematic literature review on the teaching of Quantum Computing

Autoria SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Este trabalho apresenta uma revisão sistemática da literatura sobre o ensino de Computação Quântica (CQ) de 2010 a 2023, com artigos indexados nas bases Scopus, Web of Science e Scielo. Foram selecionados 50 artigos dos 283 inicialmente encontrados. Nosso estudo oferece um panorama dessas publicações, identificando a natureza dos trabalhos, o nível de ensino, o objetivo central, a metodologia utilizada, as justificativas para o ensino de CQ, as ferramentas e recursos empregados, os principais conteúdos ensinados e os resultados e recomendações. Dentre os resultados, destaca-se que a maioria dos estudos foca no nível de graduação e são propostas, com poucas pesquisas empíricas e relatos de experiência. Identificamos uma carência de referenciais teórico-metodológicos e uma lacuna na formação de professores, com apenas um estudo neste tema. A introdução da CQ é frequentemente feita através da programação quântica, aproveitando ferramentas para a construção de circuitos quânticos, valorizados pela indústria. Os desafios incluem falta de clareza nos objetivos educacionais e métodos de ensino. Recomendações incluem a integração de tópicos quânticos desde níveis introdutórios, continuidade na pesquisa, desenvolvimento de materiais educativos e parcerias com a indústria. O interesse no ensino de CQ é impulsionado pelo potencial de impacto das tecnologias quânticas na economia global.

Palavras-chave:
Revisão da literatura; Computação Quântica; Ensino de Física

Objetivo Central		Natureza do Trabalho	Artigos
	Introdução à Programação Quântica $(n = 16)$	Pesquisa Empírica $(n = 1)$ Proposta $(n = 15)$	Salehi, Seskir e Tepe, 2022 [⁶⁶[66] Ö. Salehi, Z. Seskir e I. Tepe, IEEE Trans. Educ. 65, 1 (2022).]. Alves et al., 2020 [²⁷[27] E.M. Alves, F.D.S. Gomes, H.S. Santana e A.C. Santos, Rev. Bras. Ens. Fís. 42, e20190299 (2020).]; Alves e Felipe, 2022 [²⁸[28] W.M.S. Alves e J.C.C. Felipe, Rev. Bras. Ens. Fís. 44, e20210290 (2022).]; Brody e Guzman, 2021 [³⁰[30] J. Brody e G. Guzman, Am. J. Phys. 89, 35 (2021).]; Candela, 2015 [³¹[31] D. Candela, Am. J. Phys. 83, 688 (2015).]; Carrascal, del Barrio e Botella, 2021 [³²[32] G. Carrascal, A.A. del Barrio e G. Botella, J. Supercomput. 77, 2770 (2021).]; de Jesus et al., 2021 [³⁴[34] G.F. de Jesus, M.H.F. da Silva, T.G.D. Netto, L.Q. Galvão, F.G.D.O. Souza e C. Cruz, Rev. Bras. Ens. Fís. 43, e20210033 (2021).]; Genç, Aydın e Erdal, 2022 [³⁶[36] H. Genç, S. Aydın e H. Erdal, Comput. Appl. Eng. Educ. 30, 690 (2022).]; José, Piqueira e Lopes, 2013 [³⁸[38] M.A. José, J.R.C. Piqueira e R.D. Lopes, Rev. Bras. Ens. Fís. 35, 1306 (2013).]; Kain, 2021 [³⁹[39] B. Kain, Am. J. Phys. 89, 618 (2021).]; Moran, 2018 [⁴⁴[44] C.C. Moran, Front. Phys. 6, 69 (2018).]; Zaman, Morrell Jr e Wong, 2023 [⁴⁵[45] A. Zaman, H.J. Morrell Jr e H.Y. Wong, IEEE Access 11, 77117 (2023).]; Oliveira et al., 2022 [⁴⁷[47] A.N. Oliveira, E.V.B. de Oliveira, A.C. Santos e C.J. Villas-Boas, Rev. Bras. Ens. Fís. 44, (2022).]; Rabelo e Costa, 2018 [⁴⁸[48] W.R.M. Rabelo e M.M. Costa, Rev. Bras. Ens. Fís. 40, e4306 (2018).]; Ross, 2020 [⁴⁹[49] R. Ross, Am. J. Phys. 88, 483 (2020).]; Santos, 2017 [⁵⁰[50] A.C. Santos, Rev. Bras. Ens. Fís. 39, e1301 (2017).].
Fundamentos Teóricos e Práticos da Computação Quântica $(n = 36)$	Introdução Conceitual à Computação Quântica $(n = 20)$	Pesquisa Empírica $(n = 3)$ Proposta $(n = 13)$	Bungum e Selstø, 2022 [⁵⁸[58] B. Bungum e S. Selstø, Eur. J. Phys. 43, 055706 (2022).]; Magnussen et al., 2014 [⁶³[63] R. Magnussen, S.D. Hansen, T. Planke e J.F. Sherson, Electron. J. E-Learn. 12, 259 (2014).]; Satanassi, Ercolessi e Levrini, 2022 [⁶⁷[67] S. Satanassi, E. Ercolessi e O. Levrini, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 18, 010139 (2022).]. Bitzenbauer e Zenger, 2022 [²⁹[29] P. Bitzenbauer e T. Zenger, Phys. Teach. 60, 572 (2022).]; Coecke et al., 2022 [³³[33] B. Coecke, D. Horsman, A. Kissinger e Q. Wang, Theor. Comput. Sci. 897, 1 (2022).]; Dzurak et al., 2022 [⁵⁴[54] A.S. Dzurak, J. Epps, A. Laucht, R. Malaney, A. Morello, H.I. Nurdin, J.J. Pla, A. Saraiva e C.H. Yang, IEEE Trans. Quantum Eng. 3, 6500110 (2022).]; Garcia e Bajwa, 2016 [⁵⁵[55] O.N. Garcia e G. Bajwa, J. Integr. Des. Process Sci. 19, 9 (2016).]; Grosman, Braga e Huguenin, 2019 [³⁵[35] P.H. Grosman, D.G. Braga e J.A. Huguenin, Rev. Bras. Ens. Fís. 41, e20180201 (2019).]; How, 2022 [³⁷[37] M.L. How, Mathematics 10, 1146 (2022).]; Kopf et al., 2023 [⁴⁰[40] L. Kopf, M. Hiekkamaki, S. Prabhakar e R. Fickler, Am. J. Phys. 91, 458 (2023).]; López-Incera, Hartmann e Dür, 2020 [⁴²[42] A. López-Incera, A. Hartmann e W. Dür, Eur. J. Phys. 41, 065702 (2020).]; Migdał et al., 2022 [⁴³[43] P. Migdał, K. Jankiewicz, P. Grabarz, C. Decaroli e P. Cochin, Opt. Eng. 61, 081808 (2022).]; Nita et al., 2023 [⁴³[43] P. Migdał, K. Jankiewicz, P. Grabarz, C. Decaroli e P. Cochin, Opt. Eng. 61, 081808 (2022).]; Singh, Levy e Levy, 2022 [⁵⁶[56] C. Singh, A. Levy e J. Levy, Phys. Teach. 60, 639 (2022).]; Sutrini et al., 2023 [⁵¹[51] C. Sutrini, G. Zuccarini, M. Malgieri, M.C. Ceruti, G. Pancani e C. Macchiavello, Nuovo Cimento Della Soc. Ital. Fis. C 46, 80 (2023).]; Vianna, Barros e Hor-Meyll, 2018 [⁵²[52] Y. Vianna, M.R. Barros e M. Hor-Meyll, Am. J. Phys. 86, 914 (2018).].
		Relato de Experiência $(n = 4)$	Angara et al., 2022 [⁷¹[71] P.P. Angara, U. Stege, A. MacLean, H.A. Muller e T. Markham, IEEE Trans. Quantum Eng. 3, 6500110 (2022).]; Hughes et al., 2020 [⁷²[72] C. Hughes, J. Isaacson, J. Turner, A. Perry e R. Sun, Phys. Teach. 60, 187 (2020).]; Marckwordt et al., 2021 [⁶⁸[68] J. Marckwordt, A. Muller, D. Harlow, D. Franklin e R.H. Landsberg, Phys. Teach. 59, 613 (2021).]; Satanassi, 2020 [⁷⁰[70] S. Satanassi, Nuovo Cimento Della Soc. Ital. Fis. C 43, 130 (2020).].
	Outros Objetivos $(n = 8)$	Pesquisa Empírica $(n = 2)$	Kohnle e Rizzoli, 2017 [⁶²[62] A. Kohnle e A. Rizzoli, Eur. J. Phys. 38, 035403 (2017).]; Rasa, Palmgren e Laherto, 2022 [⁶⁵[65] T. Rasa, E. Palmgren e A. Laherto, Instr. Sci. 50, 425 (2022).].
		Proposta $(n = 1)$	Lethen, 2022 [⁴¹[41] T. Lethen, Eur. J. Phys. 43, 055402 (2022).].
		Relato de Experiência $(n = 3)$	Fowler et al., 2019 [⁷³[73] W.C. Fowler, J.M. Ting, S. Meng, L. Li e M.V. Tirrell, J. Chem. Educ. 96, 2805 (2019).]; Lukishova, 2022 [⁷⁴[74] S.G. Lukishova, Opt. Eng. 61, 081811 (2022).]; Walsh et al., 2022 [⁶⁹[69] J.A. Walsh, M. Fenech, D.L. Tucker, C. Riegle-Crumb e B.R. La Cour, Phys. Educ. 57, 025010 (2022).].
		Discussão Teórica $(n = 2)$	Batle, Abutalib e Abdalla, 2017 [⁷⁵[75] J. Batle, M. Abutalib e S. Abdalla, Rev Mex Fis E 63, 1 (2017).]; Schroeder, 2017 [⁷⁶[76] D.V. Schroeder, Am. J. Phys. 85, 812 (2017).].
Mapeamentos $(n = 6)$	Ensino de QIS $(n = 3)$	Pesquisa Empírica $(n = 2)$	Borish e Lewandowski, 2023 [⁵⁷[57] V. Borish e H.J. Lewandowski, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 19, 020144 (2023).]; Meyer et al., 2022 [⁶⁴[64] J.C. Meyer, G. Passante, S.J. Pollock e B.R. Wilcox, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 18, 010150 (2022).].
		Proposta $(n = 1)$	Aiello et al., 2021 [⁵³[53] C. Aiello, D. Awschalom, H. Bernien, T. Brower, K. Brown, T. Brun, J. Caram, E. Chitambar, R. Di Felice, K. Edmonds, et al., Quantum Sci. Technol. 6, 030501 (2021).].
	Demandas da IQ $(n = 3)$	Pesquisa Empírica $(n = 3)$	Fox, Zwickl e Lewandowski, 2020 [⁵⁹[59] M.F.J. Fox, B.M. Zwickl e H.J. Lewandowski, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 16, 020131 (2020).]; Hasanovic et al., 2022 [⁶⁰[60] M. Hasanovic, C. Panayiotou, D. Silberman, P. Stimers e C. Merzbacher, Opt. Eng. 61, 081803 (2022).]; Hughes et al., 2022 [⁶¹[61] C. Hughes, D. Finke, D.A. German, C. Merzbacher, P.M. Vora e H.J. Lewandowski, IEEE Trans. Educ. 65, 592 (2022).].

		Plataformas e Bibliotecas de Computação Quântica						Simulações e Laboratórios Virtuais					Jogos e Atividades Lúdicas								Equipamentos e Kits Experimentais
Artigo		90IBM-QE	90QISKit	90Jupyter	90MATLAB	90Quantum Katas	90Quintuple	90QuVis	90VQOL	90Quantum Flytrap	90QU-VR	90Exp. virtual fóton único	90Encrypt me	90Entanglion	90Quantum Moves	90Quantum tic-tac-toe	90Endless Fun	90Entanglement Ball	90Quebra-cabeças visuais	90LEGO	90IMZ físico	90Thorlabs Kit	90Lasers e lentes	90Polarizadores	90Interf. de fóton único
Alves e Felipe [²⁸[28] W.M.S. Alves e J.C.C. Felipe, Rev. Bras. Ens. Fís. 44, e20210290 (2022).]	Introdução à Programação Quântica	X	X	X
Alves et al. [²⁹[29] P. Bitzenbauer e T. Zenger, Phys. Teach. 60, 572 (2022).]		X
Brody e Guzman [³⁰[30] J. Brody e G. Guzman, Am. J. Phys. 89, 35 (2021).]		X	X	X
Candela [³¹[31] D. Candela, Am. J. Phys. 83, 688 (2015).]					X
Carrascal et al. [³²[32] G. Carrascal, A.A. del Barrio e G. Botella, J. Supercomput. 77, 2770 (2021).]		X	X	X
Genç et al. [³⁶[36] H. Genç, S. Aydın e H. Erdal, Comput. Appl. Eng. Educ. 30, 690 (2022).]		X		X		X					X
Jesus et al. [³⁴[34] G.F. de Jesus, M.H.F. da Silva, T.G.D. Netto, L.Q. Galvão, F.G.D.O. Souza e C. Cruz, Rev. Bras. Ens. Fís. 43, e20210033 (2021).]		X	X	X
Kain [³⁹[39] B. Kain, Am. J. Phys. 89, 618 (2021).]		X	X
Moran [⁴⁴[44] C.C. Moran, Front. Phys. 6, 69 (2018).]		X					X
Morrell Jr. et al. [⁴⁵[45] A. Zaman, H.J. Morrell Jr e H.Y. Wong, IEEE Access 11, 77117 (2023).]		X	X		X
Oliveira et al. [⁴⁷[47] A.N. Oliveira, E.V.B. de Oliveira, A.C. Santos e C.J. Villas-Boas, Rev. Bras. Ens. Fís. 44, (2022).]		X	X
Rabelo e Costa [⁴⁸[48] W.R.M. Rabelo e M.M. Costa, Rev. Bras. Ens. Fís. 40, e4306 (2018).]		X
Ross [⁴⁹[49] R. Ross, Am. J. Phys. 88, 483 (2020).]					X
Salehi et al. [⁶⁵[65] T. Rasa, E. Palmgren e A. Laherto, Instr. Sci. 50, 425 (2022).]			X	X
Santos [⁵⁰[50] A.C. Santos, Rev. Bras. Ens. Fís. 39, e1301 (2017).]		X
Angara et al. [⁷⁰[70] S. Satanassi, Nuovo Cimento Della Soc. Ital. Fis. C 43, 130 (2020).]	Introdução Conceitual à Computação Quântica	X	X	X										X
Bitzenbauer e Zenger [²⁹[29] P. Bitzenbauer e T. Zenger, Phys. Teach. 60, 572 (2022).]												X
Bungum e Selstø [⁵⁷[57] V. Borish e H.J. Lewandowski, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 19, 020144 (2023).]		X
Coecke et al. [³³[33] B. Coecke, D. Horsman, A. Kissinger e Q. Wang, Theor. Comput. Sci. 897, 1 (2022).]																				X
Dzurak et al. [⁵³[53] C. Aiello, D. Awschalom, H. Bernien, T. Brower, K. Brown, T. Brun, J. Caram, E. Chitambar, R. Di Felice, K. Edmonds, et al., Quantum Sci. Technol. 6, 030501 (2021).]		X																				X	X	X	X
Grosman et al. [³⁵[35] P.H. Grosman, D.G. Braga e J.A. Huguenin, Rev. Bras. Ens. Fís. 41, e20180201 (2019).]																					X
Hughes et al. [⁷¹[71] P.P. Angara, U. Stege, A. MacLean, H.A. Muller e T. Markham, IEEE Trans. Quantum Eng. 3, 6500110 (2022).]		X														X
Kopf et al. [⁴⁰[40] L. Kopf, M. Hiekkamaki, S. Prabhakar e R. Fickler, Am. J. Phys. 91, 458 (2023).]																	X
López-Incera et al. [⁴²[42] A. López-Incera, A. Hartmann e W. Dür, Eur. J. Phys. 41, 065702 (2020).]													X
Magnussen et al. [⁶²[62] A. Kohnle e A. Rizzoli, Eur. J. Phys. 38, 035403 (2017).]															X
Marckwordt et al. [⁶⁷[67] S. Satanassi, E. Ercolessi e O. Levrini, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 18, 010139 (2022).]																		X
Migdał et al. [⁴³[43] P. Migdał, K. Jankiewicz, P. Grabarz, C. Decaroli e P. Cochin, Opt. Eng. 61, 081808 (2022).]										X
Nita et al. [⁴⁶[46] L. Nita, L. Mazzoli Smith, N. Chancellor e H. Cramman, Res. Sci. Technol. Educ. 41, 564 (2023).]																			X
Satanassi [⁶⁹[69] J.A. Walsh, M. Fenech, D.L. Tucker, C. Riegle-Crumb e B.R. La Cour, Phys. Educ. 57, 025010 (2022).]								X
Satanassi et al. [⁷⁶[76] D.V. Schroeder, Am. J. Phys. 85, 812 (2017).]								X
Sutrini et al. [⁵¹[51] C. Sutrini, G. Zuccarini, M. Malgieri, M.C. Ceruti, G. Pancani e C. Macchiavello, Nuovo Cimento Della Soc. Ital. Fis. C 46, 80 (2023).]																					X		X	X
Vianna et al. [⁵²[52] Y. Vianna, M.R. Barros e M. Hor-Meyll, Am. J. Phys. 86, 914 (2018).]																							X	X
Kohnle e Rizzoli [⁶¹[61] C. Hughes, D. Finke, D.A. German, C. Merzbacher, P.M. Vora e H.J. Lewandowski, IEEE Trans. Educ. 65, 592 (2022).]	Outros Obj.							X
Lethen [⁴¹[41] T. Lethen, Eur. J. Phys. 43, 055402 (2022).]																						X
Lukishova [⁷³[73] W.C. Fowler, J.M. Ting, S. Meng, L. Li e M.V. Tirrell, J. Chem. Educ. 96, 2805 (2019).]																					X		X	X	X
Rasa et al. [⁶⁴[64] J.C. Meyer, G. Passante, S.J. Pollock e B.R. Wilcox, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 18, 010150 (2022).]		X
Walsh et al. [⁶⁸[68] J. Marckwordt, A. Muller, D. Harlow, D. Franklin e R.H. Landsberg, Phys. Teach. 59, 613 (2021).]		X							X

Referência	Principais resultados	Principais recomendações
Salehi, Seskir e Tepe, 2022 [⁶⁶[66] Ö. Salehi, Z. Seskir e I. Tepe, IEEE Trans. Educ. 65, 1 (2022).]	A introdução da CQ como uma generalização da computação probabilística aumenta os conhecimentos básicos dos alunos.	Desenvolver materiais para o ensino de CQ para não-físicos.
Bungum e Selstø, 2022 [⁵⁸[58] B. Bungum e S. Selstø, Eur. J. Phys. 43, 055706 (2022).]	Os alunos de TI enfrentam desafios conceituais semelhantes aos descritos em pesquisas educacionais em Física Quântica.	Promover discussões entre os estudantes e suporte adicional na matemática avançada.
Magnussen et al., 2014 [⁶³[63] R. Magnussen, S.D. Hansen, T. Planke e J.F. Sherson, Electron. J. E-Learn. 12, 259 (2014).]	O jogo Quantum Moves foi motivador ao possibilitar a participação em experimentos científicos autênticos e ao aumentar o interesse pela ciência.	Conectar os desafios de pesquisa ao currículo central dos alunos.
Satanassi, Ercolessi e Levrini [⁶⁷[67] S. Satanassi, E. Ercolessi e O. Levrini, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 18, 010139 (2022).]	A abordagem proposta é promissora para criar um ambiente de aprendizado inclusivo, pois incentiva os alunos a combinar diferentes níveis de discurso e gerar descrições significativas do teletransporte quântico.	Continuar a pesquisa e a implementação de materiais educativos sobre as tecnologias quânticas.
Rasa, Palmgren e Laherto, 2022 [⁶⁵[65] T. Rasa, E. Palmgren e A. Laherto, Instr. Sci. 50, 425 (2022).]	O curso oferecido melhorou as percepções dos alunos sobre ciência e tecnologia, e aumentou o interesse em ingressar em carreiras STEM.	Promover uma visão crítica sobre as mudanças sociotécnicas e evitar a percepção de que a tecnologia é a única solução para os problemas globais.
Kohnle e Rizzoli, 2017 [⁶²[62] A. Kohnle e A. Rizzoli, Eur. J. Phys. 38, 035403 (2017).]	As simulações interativas de QKD melhoraram a compreensão de conceitos quânticos.	Integrar tópicos de informação quântica desde níveis introdutórios.
Hasanovic et al., 2022 [⁶⁰[60] M. Hasanovic, C. Panayiotou, D. Silberman, P. Stimers e C. Merzbacher, Opt. Eng. 61, 081803 (2022).]	A indústria quântica valoriza conhecimentos em tecnologias ópticas e fotônicas, como lasers, armadilhas de íons e sistemas criogênicos, bem como em teorias quânticas.	Estabelecer parcerias entre as instituições acadêmicas americanas para compartilhar recursos de ensino e pesquisa.
Fox, Zwickl e Lewandowski, 2020 [⁵⁹[59] M.F.J. Fox, B.M. Zwickl e H.J. Lewandowski, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 16, 020131 (2020).]	As principais habilidades valorizadas pela IQ são conhecimentos em princípios de MQ e suas aplicações tecnológicas, programação quântica, teoria da informação quântica e habilidades experimentais.	Adaptar os currículos das instituições de ensino para incluir as tecnologias quânticas e criar parcerias com a indústria.
Hughes et al., 2022 [⁶¹[61] C. Hughes, D. Finke, D.A. German, C. Merzbacher, P.M. Vora e H.J. Lewandowski, IEEE Trans. Educ. 65, 592 (2022).]	A IQ valoriza engenheiros e físicos com competências em programação clássica, métodos estatísticos para a análise de dados e experiência de laboratório.	Alinhar os programas educacionais com as necessidades da indústria, em particular, incluindo em seus cursos aplicações práticas de tecnologias quânticas.
Borish e Lewandowski, 2023 [⁵⁷[57] V. Borish e H.J. Lewandowski, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 19, 020144 (2023).]	Os experimentos de fóton único motivam os alunos, aumentam o interesse em carreiras quânticas e desenvolvem habilidades laboratoriais.	Desenvolver opções de menor custo e criar estratégias para equilibrar habilidades técnicas e experimentos.
Meyer et al., 2022 [⁶⁴[64] J.C. Meyer, G. Passante, S.J. Pollock e B.R. Wilcox, Phys. Rev. Phys. Educ. Res. 18, 010150 (2022).]	Os instrutores de QIS possuem formações diversas e objetivos de aprendizagem variados.	Padronizar os tópicos abordados e os objetivos de aprendizagem.

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