Ciência quântica para alunos do ensino médio

Matthew Yeh e Jennifer Wang lembram-se de como ficaram mudados ao serem expostos pela primeira vez à pesquisa científica de alto nível. Sim, um Ph.D. em física aplicada. candidato na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson, e Wang, Ph.D. em engenharia elétrica e ciência da computação. estudante do MIT, não considerou buscar diplomas científicos avançados até participar de atividades de enriquecimento no ensino médio.

“Isso realmente me deu um enorme senso de criatividade e agência que eu não tinha visto antes”, disse Wang. “Tive que ler trabalhos acadêmicos pela primeira vez e sintetizar muitas informações. Foi tudo confuso e ninguém sabia qual era a resposta, e isso foi muito emocionante.”

Alunos da Bellaire High School, no Texas, experimentam submergir LEDs em nitrogênio líquido durante o programa de extensão "Quantum Engineering Research and You". (Daniel Marcos)

A dupla agora tenta ser os mentores que podem inspirar a próxima geração de pesquisadores em ciência, tecnologia, engenharia e matemática (STEM). Eles iniciaram o programa de extensão “Quantum Engineering Research and You (QuERY)” para o semestre da primavera de 2022 e o repetiram novamente na primavera passada, conectando alunos do ensino médio da alma mater de Wang em Houston, Bellaire High School, com atuais alunos de graduação e pós-doutorado em SEAS e MIT. Professor de física e Ph.D. da Universidade de Houston. o candidato James Newland coordenou os alunos da Bellaire. O projeto é parcialmente financiado pela Harvard Quantum Initiative, que é co-dirigida por Evelyn Hu, professora Tarr-Coyne de Física Aplicada e de Engenharia Elétrica no SEAS, e cujo comitê executivo inclui nove professores do SEAS. O financiamento adicional vem do programa Interdisciplinar de Ciência e Engenharia da Informação Quântica do MIT Center for Quantum Engineering.

“É difícil dizer que você está interessado em algo se não estiver exposto a isso”, disse Yeh. “Parte da nossa filosofia é usar a tecnologia quântica como veículo para despertar o interesse das pessoas em STEM. Mas outro aspecto é a relação mentor-pupilo. Queremos disponibilizar nossos alunos de pós-graduação e pós-doutorado como um recurso caso nossos alunos do ensino médio tenham dúvidas.”

O programa utiliza um formato híbrido em que os alunos se reúnem pessoalmente e depois trabalham com seus mentores de pós-graduação por meio do Zoom. Eles estudam seis módulos diferentes relacionados à ciência quântica, mas cada módulo é projetado para reformular o material em algo diretamente relacionado à sua vida cotidiana.

As pessoas hoje em dia falam sobre quantum como se fosse uma tecnologia mágica do futuro. Mas o quantum já está sendo usado ao nosso redor! Seu computador está cheio de transistores que utilizam mecânica quântica.

Os alunos eventualmente formam pequenos grupos e elaboram seus próprios experimentos que utilizam o material que estudaram e depois os apresentam em uma sessão de pôsteres no final do semestre em Bellaire. Depois que os alunos escolhem seus projetos, Wang e Yeh os encaminham para mentores especializados em áreas semelhantes.

“Se eles estiverem interessados ​​em codificação, nós os colocaremos com mentores que usam muitas técnicas de simulação”, disse Wang. “Esta é a criatividade e a agência que eu realmente quero ver: pegue as habilidades que você tem, sintetize-as com o que você aprendeu no programa e, em seguida, crie um projeto orientado, mas não conduzido, pelo mentor graduado.”

Dar aos alunos liberdade de ação sobre suas próprias pesquisas científicas resultou em uma ampla gama de projetos finais relacionados à quântica. Os alunos da banda escolar usaram um pacote de software de código aberto para gerar números aleatórios simulando um circuito quântico e, em seguida, criaram música usando os resultados. Outro grupo aprendeu a codificar para poder simular um modelo de magnetismo. Outro grupo experimentou mergulhar luzes LED em nitrogênio líquido, mudando a cor da luz emitida à medida que o frio extremo alterava a estrutura cristalina das luzes.

“Descobrimos que havia uma quantidade notável de coisas que eles poderiam fazer”, disse Yeh. “No primeiro ano, os alunos fizeram simulações ou pequenas revisões de literatura. Mas eles voltaram na primavera passada e queriam fazer algo com as mãos. Eles queriam mostrar algo para quando os mentores viessem de Cambridge.”