SÃO CARLOS/SP - Por muitas décadas, cientistas conseguiram prever que os chamados fenômenos quânticos poderiam ser usados para armazenar, lidar e manipular informações e, com isso, melhorar de forma radical a forma de se fazer comunicação, ou mesmo detectar fatos quase imperceptíveis de outras formas.
Isso foi uma grande promessa até muito recentemente, quando, de fato, as ciências mostraram que os fenômenos quânticos poderiam ser colocados como atores principais na evolução de tecnologias importantes, com grandes vantagens sobre as equivalentes existentes hoje, e que operam diferentemente sem recorrerem de forma determinante a tais propriedades.
Descobrir estas possibilidades, em que propriedades quânticas de átomos e elétrons podem ser usadas para armazenar e processar informações, criou uma enorme oportunidade para uma verdadeira revolução nas tecnologias mais importantes que temos hoje em dia.
Para que possamos levar adiante estas maravilhas que estão ocorrendo em todo o mundo e para que possamos tornarmo-nos parte do elenco deste desenvolvimento, é preciso ter um bom entendimento desta disciplina e contar com laboratórios capazes de lidar com luz e átomos, a ponto de terem um bom controle dessas entidades fundamentais para esta nova revolução tecnológica.
A Universidade de São Paulo tem grande competência em tudo isto e possui um dos mais completos grupos de laboratórios, dominando todas estas temáticas necessárias para que possa ser relevante neste tema específico tanto a nível experimental quanto teórico.
Para melhor aproveitar esta oportunidade, a USP anunciou a criação do Centro de Excelência em Ciências e Tecnologias Quânticas, que será instalado na Área-2 do Campus USP de São Carlos, exatamente para avançar a ciência e a tecnologia quânticas, investindo, de forma própria, mais de R$ 30 milhões, iniciativa da USP em ciência e tecnologia quântica que será lançada oficialmente em breve mediante aprovação do Conselho Universitário.
Composto por mais de 20 laboratórios e com a participação de pesquisadores distribuídos por toda a USP, o Centro tem o propósito de, através desse investimento:
Fortalece e conjugar as competências da USP;
Fortalecer as iniciativas, criando melhor infraestrutura;
Criar laboratórios didáticos para formar os recursos humanos necessários;
Fortalecer a USP como um ponto de referência no Brasil;
Construir uma forte colaboração internacional com os líderes mundiais e;
Criar o Ecossistema – USP, necessário para o crescimento desta revolução, traduzida em empresas cooperando com a universidade.
Com estes propósitos e adicionando o de criar um ensino robusto no tema para que todas as áreas possam florescer e fornecer recursos humanos para as novas empresas que nascerão neste tema, o Centro realizou no último dia 18 de abril do corrente ano seu primeiro encontro preparatório - https://www2.ifsc.usp.br/portal-ifsc/pesquisadores-da-usp-sao-carlos-dao-primeiro-passo-para-inicio-do-funcionamento-do-centro-de-excelencia-em-ciencias-e-tecnologias-quanticas/ -, que através de um dia inteiro de discussões já revelou o peso que deverá ter neste tema para o Brasil e além de nossas fronteiras.
Os responsáveis por este centro já começam a organizar as ações nas linhas tradicionais do tema, como Comunicação Quântica, Computação Quântica, Simuladores Quânticos e Materiais Quânticos, bem como as linhas derivadas e suas aplicações na agricultura, biologia, instrumentação, e em outras áreas de grande relevância.
A equipe que cuida do Centro já se mobiliza para fazer a diferença, preparando-se para se tornar pioneira em diversas frentes no país.
A nova revolução das tecnologias quânticas
Para o Prof. Dr. Osvaldo Novais de Oliveira Junior, docente e pesquisador do IFSC/USP, e membro do Centro, a humanidade vive hoje em um cenário completamente distinto do que há 100 anos. A expectativa de vida aumentou enormemente, assim como os confortos da vida moderna, inimagináveis no início do século passado. Essa evolução tecnológica, especialmente ao longo do século XX — período em que houve mais desenvolvimento do que em todos os séculos anteriores somados — decorre de um marco científico excepcional: o decifrar da estrutura da matéria com a teoria quântica e a relatividade. A partir desse entendimento, tornou-se possível produzir materiais artificiais, sintetizar fármacos, criar sistemas de diagnóstico e terapias, e desenvolver computadores. “Avanços em informática, telecomunicações, energia, inteligência artificial e saúde estão enraizados nesses fundamentos”, destaca o cientista.
É nesse sentido que, para o pesquisador, uma nova revolução, porém, está em curso. “Ela se baseia na exploração de fenômenos quânticos que desafiam nossa intuição, que é moldada por experiências no mundo macroscópico. Embora a maioria das tecnologias atuais tenha origem na teoria quântica, seu funcionamento pode frequentemente ser descrito pela física clássica. Isso ocorre na chamada computação clássica, baseada em bits 0 e 1 associados à presença ou ausência de sinais elétricos ou magnéticos. Na computação quântica, por outro lado, os mecanismos de processamento e armazenamento são radicalmente diferentes”. Entre os fenômenos centrais dessa nova era destacam-se o tunelamento, o emaranhamento e a superposição de estados. O tunelamento pode ser entendido por uma analogia simples: no mundo clássico, se lançamos uma bola de tênis contra um muro sem energia suficiente para ultrapassá-lo, ela será refletida. No mundo quântico, entretanto, existe uma probabilidade de que a “bola” atravesse o muro, como se passasse por dentro dele. Esse efeito, embora contraintuitivo, é real e já é explorado em dispositivos eletrônicos modernos, como diodos tunelamento e transistores em nanoescala. O emaranhamento é ainda mais intrigante. “Podemos imaginar duas pessoas que combinam que, sempre que uma usar um lenço verde, a outra usará um lenço vermelho. Se encontrarmos uma delas com um lenço verde, saberemos imediatamente que a outra está com um lenço vermelho, mesmo que esteja muito distante. Essa analogia ilustra a ideia de correlação, mas, no caso quântico, o fenômeno é mais profundo: as propriedades das partículas não estão necessariamente definidas antes da medição. Em sistemas emaranhados, como pares de elétrons ou fótons, os resultados das medições estão fortemente correlacionados de uma forma que não pode ser explicada por propriedades previamente determinadas” destaca o Prof. Osvaldo.
Assim, ao medir uma partícula, obtém-se instantaneamente um resultado correlacionado para a outra, independentemente da distância — embora isso não permita transmitir informação mais rápido que a luz. Esse tipo de correlação é a base de aplicações em comunicação segura e novas formas de processamento de informação.
Já a superposição de estados pode ser ilustrada com uma estante de duas prateleiras. No mundo clássico, um livro só pode estar na prateleira de cima ou na de baixo, como um bit que assume 0 ou 1.
No mundo quântico, o livro poderia estar em uma combinação desses estados, como se estivesse simultaneamente associado às duas prateleiras. Isso significa que a informação pode ser codificada de maneira muito mais rica do que no sistema binário tradicional, ampliando enormemente o potencial de processamento.
“Explorar esses fenômenos não é trivial. Requer controle extremamente preciso de sistemas quânticos, instrumentação sofisticada e avanços teóricos contínuos. Criar e manter estados emaranhados, por exemplo, ainda é um desafio significativo, o que faz com que muitas aplicações estejam em estágio inicial de desenvolvimento. Mesmo assim, as perspectivas são extraordinárias. As aplicações mais relevantes concentram-se em três áreas. Na computação quântica, sistemas baseados em qubits — que exploram superposição e emaranhamento — podem resolver problemas intratáveis para computadores clássicos, como a simulação de sistemas moleculares complexos, a otimização em larga escala e certos desafios criptográficos. Nesse contexto, surge também a área de aprendizado de máquina quântico, no qual algoritmos quânticos podem acelerar tarefas de aprendizado de máquina, enquanto técnicas de inteligência artificial são essenciais para calibrar dispositivos quânticos, corrigir erros e interpretar grandes volumes de dados experimentais”, pontua o professor.
Na comunicação quântica, o uso controlado de estados quânticos permite implementar protocolos de segurança baseados nas leis da física, como a distribuição de chaves criptográficas, além da criação de redes quânticas. No sensoriamento quântico, a extrema sensibilidade desses sistemas permite medições de precisão sem precedentes de grandezas físicas, com aplicações que vão do diagnóstico médico à navegação e à exploração de recursos naturais.
“Diante dessas perspectivas, torna-se essencial que instituições como a Universidade de São Paulo (USP) atuem de forma estratégica. A iniciativa recém-lançada pela USP dedicada à ciência e tecnologia quântica não é apenas um sinal de prestígio, mas uma necessidade para manter a competitividade científica do país. A área já avança em direção à implementação tecnológica, com investimentos robustos em centros internacionais, e a ausência de coordenação poderia levar à dispersão de esforços. A USP já possui competências consolidadas em áreas como física, engenharia, ciência dos materiais e computação, ainda que distribuídas. A iniciativa permitirá integrar essas capacidades, criando massa crítica em um campo essencialmente interdisciplinar. Além disso, contribuirá para atrair e reter talentos, especialmente em uma área que exige formação híbrida entre física, engenharia e ciência de dados”, pontua o cientista, destacando que existem também implicações estratégicas mais amplas. Tecnologias como comunicação e criptografia quânticas impactam a segurança e a soberania tecnológica. “Do ponto de vista econômico, espera-se a criação de novos setores e startups, atuando como elo entre academia, indústria e iniciativas em inteligência artificial, promovendo inovação”, salienta.
Osvaldo Novais de Oliveira Junior enfatiza que é importante reconhecer que a maioria das aplicações práticas atuais — especialmente em monitoramento ambiental, saúde e agricultura — ainda se baseia em sensores clássicos, já estabelecidos e integrados a sistemas reais. Assim, o avanço do sensoriamento quântico não ocorrerá de forma isolada, mas em forte interação com essas tecnologias consolidadas. “Para uma iniciativa em tecnologias quânticas, essa integração é essencial: por um lado, permite identificar problemas reais nos quais sensores quânticos possam oferecer ganhos concretos, como maior sensibilidade ou novas modalidades de medição; por outro, viabiliza o desenvolvimento de sistemas híbridos, nos quais sensores quânticos complementam — e não substituem — os sensores clássicos, combinando robustez, escalabilidade e baixo custo. Essa aproximação também facilita a validação em ambientes reais e acelera a transferência de tecnologia, aumentando as chances de impacto”.
O cientista são-carlense sublinha, também, que a ciência quântica ocupa a fronteira do conhecimento, conectando questões fundamentais a aplicações disruptivas. “A USP reúne condições únicas na América Latina para liderar esse movimento, desde que atue de forma coordenada. Em síntese, espera-se que a iniciativa da USP em ciência e tecnologia quântica traga ganhos em competitividade, formação de talentos, soberania e impacto. Sem essa estrutura integrada, contribuições relevantes tendem a permanecer isoladas; com ela, abre-se a possibilidade de protagonismo no cenário científico e tecnológico global”, finaliza o cientista.
