Ensino de Computação Quântica na Licenciatura em Física : revisão da produção acadêmica e elaboração de um modelo epistemológico de referência

Abstract

A emergência da Segunda Revolução Quântica, impulsionada por tecnologias como a Computação Quântica (CQ), representa uma transformação com profundos impactos tecnológicos, sociais e geopolíticos. Contudo, esse avanço não tem se traduzido em um investimento significativo na formação de professores. Diante desse cenário, esta dissertação teve como objetivo geral investigar possibilidades para o ensino do tema em cursos de Licenciatura em Física. Para isso, a pesquisa buscou traçar um panorama geral das publicações sobre o ensino de CQ; desenvolver um Modelo Epistemológico de Referência (MER) da CQ para estudantes de licenciatura em Física; e propor um conjunto de milieux como ponto de partida para a inserção da Computação Quântica na licenciatura em Física. A metodologia desta pesquisa se desenvolveu em dois estudos. O primeiro, uma revisão sistemática da literatura, analisou integralmente 50 artigos e revelou um campo que, apesar de estar em estágio inicial apresenta várias ferramentas e recursos que apoiam o ensino; no entanto há carência de explicitação dos referenciais teórico-metodológicos para o ensino aprendizagem e uma lacuna importante na formação de professores. O segundo estudo, fundamentado na Teoria Antropológica do Didático (TAD), seguiu as duas primeiras fases da Engenharia Didática para investigar quais fundamentos teóricos e recursos didáticos poderiam ser mobilizados para inserir a CQ na licenciatura em Física, sendo desenvolvido em duas etapas. A primeira etapa correspondeu à análise preliminar e resultou na construção de um MER, que partiu da análise da dimensão econômica-institucional, na qual foram analisados os espaços para a inserção do tema no currículo da UFRGS e os resultados de um questionário aplicado a 40 licenciandos. O MER foi delineado como uma rede de questões e respostas que, partindo do uso de fótons polarizados como representação física dos qubits, orienta a exploração de conceitos como superposição e interferência culminando na Criptografia Quântica. A segunda etapa consistiu em uma análise a priori fundamentada no Paradigma de Questionamento do Mundo (PQM) e expressa em um esquema herbartiano, para a proposição de um conjunto de milieux (questões, respostas e obras) como ponto de partida para a inserção da CQ na licenciatura em Física. Para auxiliar na elaboração de futuras propostas didáticas no tema, apresentamos um conjunto de questões derivadas e obras (ferramentas e recursos), como textos de apoio, artigos científicos e simuladores interativos. É nossa intenção que esta dissertação represente um passo inicial na formação de licenciandos em Física no tema da CQ, ao elaborar fundamentos teóricos e organizar recursos didáticos. Como perspectiva de continuação do trabalho, pretendemos realizar um estudo empírico por meio de um minicurso ou disciplina complementar para licenciandos de Física da UFRGS, a fim de avaliar as potencialidades dos recursos didáticos.

The emergence of the Second Quantum Revolution, driven by technologies such as Quantum Computing (QC), represents a transformation with profound technological, social, and geopolitical impacts. However, this advancement has not translated into significant investment in teacher education. Given this scenario, the general objective of this dissertation was to investigate possibilities for teaching the topic in undergraduate Physics teacher education programs. To this end, the research sought to outline a general overview of publications on the teaching of QC; develop a Reference Epistemological Model (REM) of QC for pre-service Physics teachers; and propose a set of milieux as a starting point for the inclusion of Quantum Computing in Physics teacher education. The methodology of this research was developed in two studies. The first, a systematic literature review, fully analyzed 50 articles and revealed a field that, despite being in its early stages, presents various tools and resources that support teaching; however, it lacks explicit theoretical-methodological frameworks for teaching and learning and a significant gap in teacher education. The second study, based on the Anthropological Theory of the Didactic (ATD), followed the first two phases of Didactic Engineering to investigate which theoretical foundations and didactic resources could be mobilized to insert QC into Physics teacher education, and it was carried out in two stages. The first stage corresponded to the preliminary analysis and resulted in the construction of an REM, which was based on an analysis of the economic-institutional dimension, examining the spaces for the topic's insertion into the UFRGS curriculum and the results of a questionnaire administered to 40 pre-service teachers. The REM was delineated as a network of questions and answers that, starting from the use of polarized photons as a physical representation of qubits, guides the exploration of concepts such as superposition and interference, culminating in Quantum Cryptography. The second stage consisted of an a priori analysis based on the Questioning the World Paradigm (QWP) and expressed in a Herbartian scheme, which supported the proposition of a set of milieux (questions, answers, and works) as a starting point for the insertion of QC in Physics teacher education. To assist in the development of future didactic proposals on the topic, we present a set of derived questions and works (tools and resources), such as support texts, scientific articles, and interactive simulators. It is our intention that this dissertation represents an initial step in the education of undergraduate Physics students on the topic of QC by elaborating theoretical foundations and organizing didactic resources. As a prospect for the continuation of this work, we intend to conduct an empirical study through a mini-course or a supplementary course for Physics teacher education students at UFRGS in order to evaluate the potential of the didactic resources.