A nova era quântica é um termo que se refere ao desenvolvimento de tecnologias baseadas nos princípios da física quântica, que descreve o comportamento das partículas subatômicas, como fótons, átomos e elétrons. Essas partículas possuem propriedades extraordinárias, como o emaranhamento, a superposição e a incerteza, que permitem realizar tarefas que seriam impossíveis ou muito difíceis com as tecnologias clássicas, que se baseiam na física newtoniana e na teoria da relatividade.
As tecnologias quânticas prometem revolucionar diversos campos do conhecimento e da sociedade, como a saúde, a segurança, a informação, a energia e o transporte, ao permitir o processamento, a transmissão e a medição de informações de forma mais rápida, precisa e segura do que as tecnologias clássicas. Além disso, as tecnologias quânticas podem trazer novas descobertas, aplicações e paradigmas, que podem mudar a forma como entendemos e interagimos com o mundo.
Neste artigo, vamos explicar o que é a nova era quântica, quais são as principais tecnologias quânticas, quais são os benefícios e desafios da nova era quântica, quais são as perspectivas para a indústria quântica no Brasil e no mundo, e quais são as fontes de informação e aprendizado sobre esse tema fascinante e atual.
O que é a física quântica?
A física quântica é o ramo da física que estuda o comportamento das partículas subatômicas, como fótons, átomos e elétrons. Essas partículas possuem propriedades extraordinárias, que desafiam o senso comum e as leis da física clássica, que se aplicam aos objetos macroscópicos, como bolas, carros e planetas.
Propriedades da física quântica
Algumas das propriedades mais surpreendentes são:
Emaranhamento quântico
É um fenômeno que faz com que duas ou mais partículas quânticas se comportem como se fossem uma só, mesmo estando separadas por grandes distâncias. Isso significa que, ao medir o estado de uma partícula emaranhada, é possível determinar o estado da outra partícula emaranhada, sem que haja qualquer comunicação ou influência entre elas. O emaranhamento quântico viola o princípio da localidade, que afirma que as partículas só podem interagir se estiverem próximas umas das outras.
Superposição quântica
Que é a capacidade das partículas quânticas de assumirem dois ou mais estados ao mesmo tempo, até que sejam observadas. Isso significa que, antes da medição, as partículas quânticas existem em uma combinação de possibilidades, que só se definem quando são medidas. A superposição quântica viola o princípio da realidade, que afirma que as partículas têm propriedades bem definidas, independentemente da observação.
Incerteza quântica
Que é o limite imposto pela natureza à precisão com que se pode medir as propriedades das partículas quânticas. Isso significa que, quanto mais se sabe sobre a posição de uma partícula quântica, menos se sabe sobre o seu momento (e vice-versa), e que há uma margem de erro inevitável nas medições quânticas. A incerteza quântica viola o princípio da determinação, que afirma que é possível prever o comportamento das partículas com exatidão, se conhecermos todas as suas condições iniciais.
A física quântica foi desenvolvida no início do século XX, por cientistas como Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e Paul Dirac, que buscavam explicar fenômenos que não podiam ser descritos pela física clássica, como o efeito fotoelétrico, o espectro atômico, a radiação do corpo negro e o efeito Compton. Desde então, a física quântica tem sido testada e confirmada por inúmeros experimentos e observações, e se tornou uma das teorias mais bem sucedidas e fundamentais da ciência.
Quais são as principais tecnologias quânticas?
As tecnologias quânticas são aquelas que utilizam os princípios da física quântica para realizar tarefas que seriam impossíveis ou muito difíceis com as tecnologias clássicas, que se baseiam na física newtoniana e na teoria da relatividade. As tecnologias quânticas podem ser classificadas em duas gerações:
Primeira geração
A primeira geração de tecnologias quânticas é aquela que utiliza os efeitos quânticos de forma passiva, ou seja, sem manipular ou controlar os estados quânticos. Essas tecnologias já estão consolidadas e difundidas na sociedade, e incluem dispositivos como lasers, LEDs, transistores, diodos, células solares, sensores, imagens médicas e relógios atômicos. Essas tecnologias se beneficiam das propriedades quânticas, como a emissão e a absorção de fótons, a condução e a resistência elétrica, a fluorescência e a ressonância magnética.
Segunda geração
A segunda geração de tecnologias quânticas é aquela que utiliza os efeitos quânticos de forma ativa, ou seja, manipulando e controlando os estados quânticos. Essas tecnologias estão em desenvolvimento e pesquisa, e prometem revolucionar diversos campos e áreas, como a saúde, a segurança, a informação, a energia e o transporte. Essas tecnologias se beneficiam das propriedades quânticas, como o emaranhamento, a superposição e a incerteza, e incluem dispositivos como computadores quânticos, redes quânticas, criptografia quântica e teleporte quântico.
Algumas das principais tecnologias quânticas de segunda geração são:
Computação quântica
Utiliza bits quânticos (ou qubits) para realizar cálculos. Os qubits são objetos quânticos que podem assumir dois estados, como 0 ou 1, ou uma superposição deles, como 0 e 1 ao mesmo tempo. Isso permite que os qubits realizem operações paralelas e exponenciais, que são muito mais eficientes do que as operações sequenciais e lineares dos bits clássicos. A computação quântica tem o potencial de resolver problemas que são intratáveis para os computadores convencionais, como a fatoração de números grandes, a otimização de sistemas complexos, a simulação de sistemas quânticos e a inteligência artificial.
Comunicação quântica
A comunicação quântica, que utiliza fótons emaranhados para transmitir informações. O emaranhamento é um fenômeno que faz com que duas partículas quânticas se comportem como se fossem uma só, mesmo estando separadas por grandes distâncias. O emaranhamento permite transmitir informações de forma mais rápida, precisa e segura do que as tecnologias clássicas, pois qualquer tentativa de interceptação ou alteração das partículas emaranhadas seria detectada imediatamente. A comunicação quântica é essencial para a distribuição de chaves criptográficas, a correção de erros em computadores quânticos e a comunicação entre satélites e estações terrestres .
Criptografia quântica
Utiliza os princípios da física quântica para garantir a segurança das informações. Nesse sentido, a criptografia quântica se baseia na impossibilidade de copiar ou medir um estado quântico sem alterá-lo ou revelá-lo. Aliás, ela permite gerar chaves secretas que são compartilhadas entre os comunicadores e que são usadas para cifrar e decifrar as mensagens. A criptografia quântica é inviolável, pois qualquer tentativa de espionagem ou ataque seria detectada e invalidaria a chave.
Teleporte quântico
Consiste em transferir o estado quântico de um objeto para outro, sem que haja contato físico entre eles. Assim, o teleporte quântico se baseia no emaranhamento e na medição quântica, que permitem transmitir as propriedades de uma partícula quântica para outra, independentemente da distância que as separa. Aliás, ele não transporta matéria ou energia, mas sim informação. Sobretudo, o teleporte quântico é útil para a transferência de qubits entre computadores quânticos, a implementação de portas lógicas quânticas e a realização de experimentos de física fundamental.
Essas são algumas das principais tecnologias quânticas de segunda geração, mas existem outras que também são promissoras e desafiadoras, como a metrologia quântica, a nanotecnologia quântica, a biologia quântica e a química quântica. As tecnologias quânticas são um campo fascinante e promissor, que pode trazer benefícios para diversos setores e áreas, mas também requer muita pesquisa, desenvolvimento e inovação.
Quais são os benefícios e desafios da Nova Era Quântica?
Os benefícios e desafios da nova era quântica são muitos e variados, pois essa é uma área que pode transformar diversos campos e áreas, como a saúde, a segurança, a informação, a energia e o transporte. Alguns dos benefícios e desafios da nova era quântica são:
Benefícios:
- Resolve problemas que são intratáveis para os computadores convencionais, como a fatoração de números grandes, a otimização de sistemas complexos, a simulação de sistemas quânticos e a inteligência artificial. Esses problemas têm aplicações em diversas áreas, como a criptografia, a engenharia, a física, a química e a biologia.
- Pode transmitir informações de forma mais rápida, precisa e segura do que as tecnologias clássicas, pois utiliza o fenômeno do emaranhamento quântico, que permite que duas partículas quânticas se comportem como se fossem uma só, mesmo estando separadas por grandes distâncias. Essa propriedade é essencial para a distribuição de chaves criptográficas, a correção de erros em computadores quânticos e a comunicação entre satélites e estações terrestres.
- Garante a segurança e a privacidade das informações, pois utiliza os princípios da física quântica para gerar chaves secretas que são compartilhadas entre os comunicadores e que são usadas para cifrar e decifrar as mensagens. A criptografia quântica, portanto, é inviolável, pois qualquer tentativa de espionagem ou ataque seria detectada e invalidaria a chave.
Teleporte quântico
- Transfere o estado quântico de um objeto para outro, sem que haja contato físico entre eles, por meio do teleporte quântico. Em suma, o teleporte quântico se baseia no emaranhamento e na medição quântica, que permitem transmitir as propriedades de uma partícula quântica para outra, independentemente da distância que as separa. Além disso, o teleporte quântico é útil para a transferência de qubits entre computadores quânticos, a implementação de portas lógicas quânticas e a realização de experimentos de física fundamental.
- Realiza medições de alta precisão e sensibilidade, por meio da metrologia quântica. A metrologia quântica se baseia na superposição e na interferência quântica, que permitem medir parâmetros físicos, como tempo, frequência, distância, velocidade, temperatura, campo magnético e gravitacional, com uma precisão maior do que as tecnologias clássicas. A metrologia quântica é importante para o desenvolvimento de padrões de medida, relógios atômicos, sensores, radares e GPS.
Desafios:
- Requer a superação da fragilidade dos estados quânticos, que podem ser facilmente perturbados ou destruídos por fatores externos, como variações de temperatura, vibrações ou ruídos. Essas perturbações causam a perda de coerência quântica, que é a capacidade de manter os estados quânticos superpostos e emaranhados. A perda de coerência quântica leva a erros de cálculo e de comunicação, que comprometem o desempenho e a confiabilidade das tecnologias quânticas. Para evitar ou corrigir esses erros, são necessários métodos de isolamento, controle e correção de erros quânticos, que são complexos e custosos.
Integração da nova era quântica
- Requer o aumento da escala e da integração das tecnologias quânticas. Afinal, elas são limitadas pela dificuldade de gerar, manipular e medir um grande número de partículas quânticas. As tecnologias quânticas requerem dispositivos e sistemas que sejam capazes de produzir, armazenar, processar e transmitir estados quânticos com alta precisão e eficiência. Esses dispositivos e sistemas devem ser compatíveis entre si e com as tecnologias clássicas, o que implica em desafios de engenharia, design e interoperabilidade. Para aumentar a escala e a integração das tecnologias quânticas, são necessários avanços em materiais, componentes, circuitos e arquiteturas quânticas, que sejam robustos, versáteis e padronizados.
- Necessita de regulação e a ética das tecnologias quânticas, que garantam a segurança, a responsabilidade e a sustentabilidade do uso das tecnologias quânticas. As tecnologias quânticas podem trazer benefícios para diversos setores e áreas, mas também podem trazer riscos e ameaças, como a violação da privacidade, a desigualdade, a competição, o conflito e a guerra. Para garantir que as tecnologias quânticas sejam usadas de forma responsável, ética e sustentável, são necessários marcos legais, normativos e institucionais, que regulem o desenvolvimento, a aplicação e a governança das tecnologias quânticas, com a participação de todos os atores envolvidos.
Além desses benefícios e desafios, o futuro da nova era quântica também pode trazer oportunidades e surpresas, como novas descobertas, aplicações e paradigmas, que podem mudar a forma como entendemos e interagimos com o mundo. A nova era quântica é um campo fascinante e promissor, que requer muita pesquisa, desenvolvimento e inovação.
Perspectivas para a indústria quântica no Brasil e no mundo
A indústria quântica é o conjunto de atividades econômicas relacionadas ao desenvolvimento, à produção e à aplicação de tecnologias quânticas. Este setor é estratégico e competitivo, afinal, traz benefícios para diversas áreas, como a saúde, a segurança, a informação, a energia e o transporte.
No mundo, a indústria quântica está em crescimento e expansão, com o envolvimento de países como Estados Unidos, China, Alemanha, Japão, França, Reino Unido, Canadá, Austrália e Holanda, que estão investindo bilhões de dólares em pesquisa, desenvolvimento e inovação em tecnologias quânticas, e de empresas como IBM, Google, Microsoft, Intel, Amazon, Alibaba, Huawei, AT&T e Airbus, que estão desenvolvendo e oferecendo produtos e serviços quânticos, como computadores quânticos, redes quânticas, criptografia quântica e metrologia quântica.
Segundo um relatório da consultoria McKinsey, o mercado global de tecnologias quânticas pode atingir entre US$ 65 bilhões e US$ 175 bilhões até 2030, com um crescimento anual de 16% a 30%. O relatório também aponta que as tecnologias quânticas podem gerar um impacto econômico de US$ 850 bilhões a US$ 1,1 trilhão até 2050, com benefícios para diversos setores, como saúde, energia, agricultura, finanças, telecomunicações, defesa e segurança.
Nova Era Quântica no Brasil
No Brasil, a indústria quântica ainda está em estágio inicial. Porém, o potencial de crescimento e desenvolvimento é enorme. Afinal conta o envolvimento de instituições de ensino e pesquisa, como o SENAI CIMATEC, USP, UNICAMP, UFRJ, UFSC, UFMG e o LNCC. As instituições estão realizando projetos e parcerias em tecnologias quânticas. Além disso, auxiliam empresas como a Embratel, a BrPhotonics, a Q-Crypt, e a Q-Design, que desenvolvem e oferecem produtos e serviços quânticos.
Segundo um estudo realizado pela FGV, o mercado brasileiro de tecnologias quânticas pode atingir entre R$1,5 bilhão e R$5,5 bilhões até 2030, com um crescimento anual de 15% a 25%. O estudo também aponta que as tecnologias quânticas podem gerar um impacto econômico de R$10 bilhões a R$38 bilhões até 2050, com benefícios para diversos setores, como saúde, energia, agricultura, finanças, telecomunicações, defesa e segurança.
Desenvolvimento na era quântica no país
Para que o Brasil possa aproveitar as oportunidades e enfrentar os desafios da nova era quântica, são necessárias ações estratégicas e coordenadas. Entretanto, é preciso que envolvam o governo, a academia, a indústria e a sociedade, assim como:
- Aumentar o investimento e o incentivo à pesquisa, desenvolvimento e inovação em tecnologias quânticas, com foco na formação de recursos humanos qualificados, na criação de infraestrutura e laboratórios, na geração de patentes e publicações, na promoção de parcerias e redes de colaboração, e na transferência de conhecimento e tecnologia.
- Estimular o empreendedorismo e a competitividade da indústria quântica nacional, com foco na criação de produtos e serviços quânticos, na ampliação do mercado e dos clientes, na atração de investimentos e financiamentos, na participação em cadeias globais de valor, e na geração de empregos e renda.
- Estabelecer um marco legal e normativo para as tecnologias quânticas, com foco na definição de diretrizes, princípios e regras, que garantam a segurança, a responsabilidade e a sustentabilidade do uso das tecnologias quânticas, com a participação de todos os atores envolvidos, e que estejam alinhados com os padrões e as convenções internacionais.
- Fomentar a educação e a divulgação das tecnologias quânticas, com foco na sensibilização, na capacitação e na inclusão de diversos públicos, como estudantes, professores, pesquisadores, empreendedores, gestores, consumidores e cidadãos, sobre os conceitos, as aplicações e os impactos das tecnologias quânticas, e na promoção de uma cultura de inovação e de ciência.
Fontes de informação e aprendizado sobre a Nova Era Quântica
Se você se interessou pelo tema da nova era quântica e quer saber mais sobre as tecnologias quânticas, existem diversas fontes de informação e aprendizado. Algumas dessas fontes são:
Livros sobre a Nova Era quântica:
Existem diversos livros que abordam os conceitos, as aplicações e os impactos das tecnologias quânticas, de forma didática e acessível, como:
O Universo em Suas Mãos
A obra de Christophe Galfard explica os mistérios da física quântica e da relatividade, com exemplos e ilustrações. Além disso, mostra como essas teorias podem mudar a nossa visão do mundo.
O Código da Criatividade
O livro de Marcus du Sautoy explora como a inteligência artificial e a computação quântica revoluciona a criatividade humana. A narrativa acontece com aplicações em áreas como a arte, a música, a literatura e a matemática.
A Era da Informação Quântica
De Amir Aczel. O livro conta a história e o desenvolvimento das tecnologias quânticas, como a comunicação quântica, a criptografia quântica e o teleporte quântico. Ademais, a obra mostra como elas podem transformar a sociedade e a economia.
Cursos sobre a Nova Era Quântica:
Existem diversos cursos que oferecem uma introdução às tecnologias quânticas, de forma prática e interativa, como:
Introdução à Computação Quântica
Primeiramente, temos um curso da IBM. O projeto ensina os conceitos básicos da computação quântica, como qubits, portas quânticas e algoritmos quânticos. Ademais, a experiência permite que os alunos experimentem um computador quântico real, por meio da plataforma IBM Q Experience.
Introdução à Criptografia Quântica
Em segundo, temos a Universidade de Genebra. O curso ensina os conceitos básicos da criptografia quântica, como protocolos quânticos, chaves quânticas e segurança quântica. Além disso, o aprendizado permite que os alunos testem uma rede quântica real, por meio da plataforma ID Quantique.
Introdução à Metrologia Quântica
Por último, temos a Universidade de Oxford. O curso ensina os conceitos básicos da metrologia quântica, como interferência quântica, estados quânticos e sensibilidade quântica. Além disso, o estudo permite que os alunos realizem experimentos de medição quântica, por meio da plataforma QuTiP.
Sites sobre a Nova Era Quântica:
Existem diversos sites que fornecem informações atualizadas e confiáveis sobre as tecnologias quânticas, como:
Quantum Flagship
Uma iniciativa da União Europeia. A instituição visa, de fato, apoiar e financiar projetos de pesquisa e inovação em tecnologias quânticas. Além disso, eles também oferecem notícias, eventos, recursos e oportunidades sobre o tema.
Quantum Journal
Uma revista científica. Assim, o periódico publica artigos originais e revisados por pares sobre os avanços teóricos e experimentais em tecnologias quânticas. Aliás, eles oferecem acesso livre e gratuito aos seus conteúdos.
Quantum Computing Report,
É um portal de informação. Portanto, cobre as últimas novidades e tendências sobre a indústria quântica, e que oferece análises, entrevistas, artigos, podcasts e newsletters sobre o tema.
Em última análise…
Sobretudo, a nova era quântica se refere ao desenvolvimento de tecnologias baseadas nos princípios da física quântica. Em suma, a física quântica descreve o comportamento das partículas subatômicas, como fótons, átomos e elétrons. Nesse sentido, essas partículas possuem propriedades extraordinárias que permitem realizar tarefas que seriam impossíveis ou muito difíceis com as tecnologias clássicas. Afinal, elas se baseiam na física newtoniana e na teoria da relatividade.
As tecnologias quânticas prometem revolucionar diversos campos do conhecimento e da sociedade. Aliás, a tecnologia impacta a saúde, a segurança, a informação, a energia e o transporte. Isso acontece ao permitir o processamento, a transmissão e a medição de informações de forma mais rápida, precisa e segura do que as tecnologias clássicas. Além disso, as tecnologias quânticas podem trazer novas descobertas, aplicações e paradigmas, que podem mudar a forma como entendemos e interagimos com o mundo.
Neste artigo, explicamos o que é a nova era quântica, as principais tecnologias quânticas, benefícios e desafios da nova era quântica. Além disso, falamos sobre perspectivas para a indústria quântica no Brasil e no mundo, e citamos fontes de informação sobre esse tema fascinante e atual.
