Empresas Nacionais de Tecnologias Quânticas

Desde o surgimento da ciência moderna, no século 16, o conhecimento fundamental produzido pela pesquisa científica, motivada apenas pela curiosidade sobre como a natureza funciona, tem levado à descoberta de novas tecnologias que trouxeram benefícios diretos à sociedade. Essas tecnologias, por sua vez, levaram a criação de novos instrumentos, que cientistas utilizaram para investigar ainda mais os fundamentos da natureza, descobrindo uma nova geração de inovações tecnológicas durante o processo.

Se antigamente sempre houve um processo de realimentação entre o desenvolvimento de conhecimento novo e o uso desse conhecimento em aplicações à sociedade, o tempo deste ciclo é mais curto, hoje em dia. Vejo isso de maneira muito clara, na área em que trabalho, a óptica quântica. Há vinte anos, entre os meus colegas, líderes de grupos de laboratórios ao redor do mundo, era raríssimo encontrar alguém que tivesse envolvimento direto com uma empresa. Atualmente, uma porção substancial dos meus colegas, ou fundou uma empresa startup, ou trabalha muito próximo a uma
Paulo Nussenzveig
Pró-Reitor de Pesquisa e Inovação da USP

Muitos dos nossos entrevistados destacaram que, para o desenvolvimento das tecnologias quânticas de segunda geração no Brasil, será necessário não apenas investir fortemente em pesquisa acadêmica, mas também incentivar a criação de novas empresas. São essas startups que farão a ponte entre o conhecimento gerado em laboratório e sua transformação em produtos e serviços úteis à sociedade.

Felizmente, o Brasil conta com alguns bons exemplos de empresas que conseguiram transformar tecnologias quânticas de primeira geração em negócios de sucesso, e que têm muito a ensinar às futuras startups de tecnologias quânticas de segunda geração. São elas a Agrorobótica, empresa referência nacional na análise química de solos para agricultura de precisão e créditos de carbono; a FIT, empresa que usa a ressonância magnética nuclear para avaliar a qualidade de alimentos; e a FabNS, que fabrica um instrumento científico único no mundo, o nanoscópio.

A Agrorobótica surgiu a partir de pesquisas desenvolvidas no Laboratório Nacional de Agro-Fotônica da Embrapa Instrumentação, em São Carlos (SP), uma das unidades da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa). Fundado e coordenado pela física Débora Marcondes Bastos Pereira Milori, o laboratório desenvolve técnicas de imagem e espectroscopia para analisar propriedades químicas e físicas de água, fertilizantes e solos, além de avaliar a saúde de plantas e animais.

Inicialmente, em 2001, o grupo de Milori começou a estudar a matéria orgânica presente nos solos — um tema cada vez mais relevante diante das mudanças climáticas provocadas pelo excesso de dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa na atmosfera. Alguns solos têm maior capacidade de estocar carbono, na forma de matéria orgânica, do que outros. Por isso, muitos produtores rurais buscam mapear a quantidade de carbono presente em seus solos para comercializar os chamados créditos de carbono, que servem para compensar as emissões de outras empresas.

No entanto, até então, os métodos disponíveis para esse tipo de mapeamento ou produziam muitos resíduos químicos, ou tinham um custo elevado, inviabilizando sua adoção em larga escala. “Em 2004, começamos a trabalhar em como poderíamos fazer esse mapeamento de forma mais limpa e barata”, lembra Milori.

Os pesquisadores, então, se depararam com a tecnologia de espectroscopia de emissão de plasma induzida por laser, conhecida pela sigla em inglês LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy). Milori explica que a técnica foi concebida logo após a invenção do laser, em 1960, mas só foi desenvolvida como método de análise química na década de 1990, pela agência espacial norte-americana, a Nasa, para ser embarcada em robôs de suas missões à superfície de Marte. “Pensamos: se estão analisando o solo de Marte, por que não podemos analisar o solo aqui?”, conta.

Na técnica LIBS, um laser de alta energia é focalizado sobre uma amostra, produzindo um plasma — um gás de átomos ionizados a alta temperatura. À medida que o plasma se resfria, os átomos emitem luz, que pode ser analisada. Comparando essa luz com modelos de análise de dados, é possível, em princípio, determinar a presença e a quantidade de todos os elementos químicos da amostra. Logo, os pesquisadores da Embrapa Instrumentação conseguiram usar a LIBS não apenas para medir carbono em amostras de solo, mas também para detectar elementos como cálcio, potássio e fósforo, avaliando a fertilidade do solo. IMAGEM LASER

Em 2014, a equipe de Milori realizou a demonstração de um sistema LIBS portátil, instalado em um robô, capaz de coletar amostras de solo e realizar análises qualitativas. A demonstração chamou a atenção do engenheiro agrônomo Fábio Angelis, que propôs a Milori uma parceria para desenvolver um sistema LIBS de bancada para análise de solos. O projeto teve início no ano seguinte, com a recém-criada startup Agrorobótica, envolvendo três alunos e uma pós-doutoranda do laboratório de Milori.

Em 2018, conseguimos um sistema robusto o suficiente e com um custo relativamente acessível para empresas, capaz de fazer análises de carbono, pH e textura do solo
Débora Milori
Física fundadora e coordenadora do Laboratório Nacional de Agro-Fotônica

O desenvolvimento da Agrorobótica, no entanto, estagnou por falta de recursos. Após várias rodadas de negociação com investidores, em 2019, a startup obteve o financiamento necessário da empresa de investimentos NTAgro. Durante o processo de aceleração, a Agrorobótica trocou o plano inicial de venda de equipamentos por um modelo de prestação de serviços.

Em 2023, a empresa lançou o sistema AgLIBS, um equipamento capaz de analisar 16 parâmetros do solo. No mesmo ano, o AgLIBS foi certificado pela Verra, organização norte-americana sem fins lucrativos que estabelece padrões para o mercado de carbono. Em seguida, o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro) acreditou o laboratório da Agrorobótica conforme a norma internacional ISO 17025, que certifica a qualidade de laboratórios de ensaio e calibração. FOTO SISTEMA

A técnica mais tradicional e reconhecida internacionalmente para medir o carbono em solos é o analisador elementar CHN. Em condições ideais, esse tipo de equipamento é capaz de analisar cerca de 900 amostras de solo por mês. O AgLIBS, por sua vez, realiza a análise de uma amostra em apenas 30 segundos, podendo processar até 1.200 amostras por dia, e fornece não só a quantidade de carbono, mas também informações sobre micronutrientes, pH e textura do solo.

Hoje, sete ex-alunos do laboratório de Milori trabalham na Agrorobótica, que atua em 18 estados brasileiros oferecendo serviços de mapeamento de solo, tanto para agricultura de precisão quanto para projetos de obtenção de créditos de carbono. Entre seus clientes está a Marfrig, a segunda maior produtora de carne bovina do mundo, que utiliza a tecnologia AgLIBS em todas as suas fazendas. A Agrorobótica também mantém sua parceria com a Embrapa Instrumentação, no desenvolvimento de um novo sistema para análise de material vegetal, com o objetivo de avaliar a nutrição de plantas.

Milori cita outro exemplo bem-sucedido de transferência de tecnologia quântica da Embrapa Instrumentação para uma empresa: a startup Fine Instrument Technology (FIT). Fundada em 2005, a empresa era inicialmente voltada para a comercialização de equipamentos de ressonância magnética nuclear (RMN) para a área médica. No entanto, o gerente de projetos da empresa, Daniel Consalter, enquanto realizava um doutorado em RMN no Instituto de Física de São Carlos da USP, entrou em contato com a pesquisa do químico Luiz Alberto Colnago, da Embrapa Instrumentação. Entre outros projetos, Colnago desenvolve métodos e instrumentos de RMN de custo relativamente baixo para analisar alimentos, como bebidas, carnes, frutas, grãos e óleos. A técnica permite determinar propriedades de amostras em poucos segundos, sem destruí-las, ao contrário das análises químicas convencionais, que são destrutivas e podem demorar dias.

Em 2016, a FIT lançou seu primeiro equipamento de RMN desenvolvido em parceria com a Embrapa Instrumentação: o SpecFIT. O produto se tornou um sucesso de vendas quando fábricas de azeite de dendê descobriram que podiam otimizar a extração do óleo dos frutos de dendezeiro usando o SpecFIT para analisar rapidamente a quantidade de óleo remanescente no bagaço após a prensagem. Com base nessas medições, conseguiram ajustar as prensas e aumentar sua produtividade. FOTO SPECFIT

Em 2019, a FIT recebeu investimento da NTAgro e, no ano seguinte, o SpecFIT obteve a marcação CE — uma certificação obrigatória para produtos comercializados na União Europeia. Atualmente, a empresa está sediada em São Carlos e atua exclusivamente no setor agropecuário, vendendo equipamentos para análise de diversos alimentos e exportando para 20 países.

Segundo Milori, por trás do sucesso dessas duas startups está “o ecossistema de inovação” da região. São Carlos é uma cidade de porte médio, com cerca de 300 mil habitantes, mas que concentra duas universidades públicas e uma privada, duas unidades da Embrapa e quatro parques tecnológicos, reunindo pesquisadores, alunos e empreendedores. Para a pesquisadora, esses ecossistemas de inovação precisam ser valorizados. ÁUDIO

Enquanto isso, um grupo de pesquisadores liderado pelo físico Ado Jório de Vasconcelos, do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), vem desenvolvendo há mais de 20 anos uma tecnologia quântica de primeira geração voltada para a pesquisa científica em nanotecnologia. Esse trabalho resultou em um instrumento chamado nanoscópio, que recentemente chegou ao estágio de comercialização.

Para entender a inovação por trás do nanoscópio, é importante lembrar que o comprimento de onda da luz visível limita a resolução máxima de um microscópio óptico a cerca de 200 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de metro). Isso ocorre porque, ao iluminar um objeto menor do que essa escala, a luz visível se espalha em várias direções, impedindo a formação de uma imagem nítida — um fenômeno conhecido como limite de difração. ILUSTAR?

Em 1928, o físico irlandês Edward Hutchinson Synge (1890–1957) propôs teoricamente uma solução para superar esse limite. Ele percebeu que uma fonte de luz minúscula, de tamanho nanométrico, poderia produzir uma forma de energia luminosa a poucos nanômetros da fonte, chamada campo próximo. Essa luz poderia ser captada por um sensor óptico igualmente pequeno, desde que posicionado com extrema precisão nesta região. O sensor, então, seria capaz de gerar imagens de objetos nanométricos, iluminados pela mesma fonte de luz.

A proposta de Synge levou algumas décadas para se concretizar. Apenas no início dos anos 1980 começaram a surgir os primeiros instrumentos de microscopia óptica de varredura de campo próximo. Em meados de 2005, Jório e seus colegas na UFMG iniciaram um projeto para aprimorar essa técnica por meio da chamada espectroscopia Raman aumentada por sonda.

A sonda, nesse caso, é uma nanoantena — uma estrutura semicondutora em forma de micropirâmide com um platô, onde repousa uma pirâmide ainda menor, com uma ponta de cerca de 10 nanômetros de espessura. A nanoantena atua simultaneamente como fonte de luz — concentrando um feixe laser em um campo próximo logo abaixo de sua ponta — e como sensor, captando a luz espalhada por objetos iluminados por esse campo.  FOTO ANTENA

Uma grande contribuição do nosso grupo foi o desenvolvimento da nanoantena, e de toda a estrutura óptica ao seu redor para permitir seu controle. A nanoantena possui uma capacidade de localização do campo próximo e de visualização de estruturas nanométricas muito superior às tecnologias existentes
Ado Jório de Vasconcelos
Professor do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

Diferentemente de um microscópio eletrônico, que pode danificar as estruturas que observa, o nanoscópio desenvolvido na UFMG consegue registrar detalhes com até 10 nanômetros de tamanho sem alterar as amostras. “Você não pode visualizar com microscópio eletrônico uma coisa que depois vai utilizar”, explica Jório.

Também diferentemente de um microscópio de tunelamento por varredura, que apenas mapeia a topografia de superfícies, é que o nanoscópio realiza espectroscopia de nanoestruturas — uma análise das propriedades físicas e químicas de uma amostra com base na luz que ela emite. A combinação da espectroscopia com a geração de imagens faz do nanoscópio um instrumento ideal para estudos em ciência de materiais, com possíveis aplicações em física, química, biologia e medicina. “Quando habilitamos o ser humano a fazer coisas que não conseguia antes, geralmente isso abre novas realidades”, afirma Jório. “O nanoscópio nos coloca em um novo patamar para visualizar e controlar a matéria na escala nanométrica.”

A partir de 2011, a equipe de Jório passou a aprimorar a nanoantena em colaboração com pesquisadores do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro). Entre 2018 e 2021, com financiamento da Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais (Codemge) e da Empresa Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial (Embrapii), foi desenvolvido um protótipo comercial do nanoscópio. O processo envolveu mais de 60 profissionais de áreas como física, arquitetura, ciência da computação, engenharia elétrica, engenharia mecânica e engenharia de produção. No total, foram geradas 17 propriedades intelectuais registradas pela UFMG, Inmetro e outros parceiros no Brasil, China, Estados Unidos e Europa, cobrindo desde peças do instrumento até os softwares de controle e análise de dados.

A tecnologia do nanoscópio foi licenciada para a startup Fábrica de Nanossoluções (FabNS), criada em 2020 com investimento da Fundação de Apoio da UFMG (Fundep). A empresa foi fundada por três ex-alunos de doutorado do grupo de Jório — os engenheiros Cassiano Rebelo e Hudson Miranda e o físico Thiago Vasconcelos, do Inmetro — além do engenheiro Taiguara Tupinambás. Desde 2022, a empresa está sediada no Parque Tecnológico de Belo Horizonte.

Em 2021, uma pesquisa liderada por Jório com o uso do nanoscópio foi capa da prestigiosa revista Nature. Três anos antes, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, haviam demonstrado que duas camadas de grafeno — material bidimensional composto por carbono, com apenas um átomo de espessura — poderiam se transformar em um supercondutor quando sobrepostas e giradas entre si em um ângulo de um grau. A pesquisa da UFMG apresentou imagens da estrutura eletrônica e vibracional dessas camadas, ajudando a entender melhor o fenômeno.  Desde então, pesquisas usando o nanoscópio foram destaque de capa em mais quatro revistas científicas de grande impacto. CAPA NATURE

Em 2023, a FabNS realizou a primeira venda de um nanoscópio, o chamado sistema Porto, para o grupo do físico Sebastian Heeg, da Universidade Humboldt de Berlim, na Alemanha. Os alemães adquiriram o equipamento por um valor abaixo do preço comercial, cientes de que se tratava de uma tecnologia recém-desenvolvida. “O equipamento teve algumas instabilidades inicialmente, que foram sanadas em conjunto com a empresa”, lembra Jório. “Hoje, eles já estão realizando experimentos.”

O mercado de tecnologias quânticas de segunda geração ainda é nascente. O Brasil precisa entrar nesse mercado desde o seu início. Porque, quando se espera uma tecnologia tão avançada amadurecer, as empresas que acompanharam o processo desde o começo já dominam tudo. Aí fica difícil entrar. O bonde ainda não foi perdido, mas se não equipararmos nosso nível de financiamento ao de outros países, será difícil competir
Paulo Nussenzveig
Pró-Reitor de Pesquisa e Inovação da USP

Jório aposta no impacto que a computação quântica terá sobre o desenvolvimento da inteligência artificial:

No livro A Nova Mente do Rei, o físico Roger Penrose argumentou que os computadores nunca se equiparariam ao cérebro humano porque funcionam com base na física clássica, enquanto o cérebro é um instrumento quântico. E agora estamos criando instrumentos quânticos, potencializando transformações que podem ser muito significativas
Paulo Nussenzveig
Pró-Reitor de Pesquisa e Inovação da USP

As unidades Embrapii que colaboraram no desenvolvimento do protótipo comercial do nanoscópio foram o Departamento de Ciência da Computação da UFMG e o Campus Integrado de Manufatura e Tecnologias (CIMATEC), do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI), em Salvador (BA).

Desde dezembro de 2023, o SENAI-CIMATEC abriga o Centro de Competência Embrapii em Tecnologias Quânticas, o QUIIN (Quantum Industrial Innovation), voltado para o fortalecimento da indústria nacional nas áreas de computação e criptografia quânticas.

Segundo a coordenadora do QUIIN, a física Valéria Loureiro da Silva, o centro atua em quatro frentes principais: pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias, formação de recursos humanos — com foco especial na capacitação de engenheiros —, transferência de tecnologias para a indústria e apoio à criação e aceleração de startups. “Temos um programa de chamadas específicas para startups”, explica Loureiro da Silva.

Uma dessas chamadas é a Arena, que seleciona potenciais empreendedores e os capacita em empreendedorismo e tecnologias quânticas. Ao final do processo, os participantes apresentam propostas para a criação de novas empresas. Já a chamada QCI (Quantum Communication Insights) identifica desafios tecnológicos e seleciona startups para enfrentá-los em conjunto com o QUIIN, em projetos de um ano com apoio financeiro e de infraestrutura. “Na última chamada QCI, temos três startups em fase final de planejamento de trabalho”, afirma a coordenadora.

O centro oferece ainda a chamada Venture Building, voltada à transferência de tecnologias  para candidatas a startups, e a Soft Landing, que busca atrair startups estrangeiras ao Brasil. Nessa última modalidade, o QUIIN oferece consultoria sobre a legislação brasileira, com o objetivo de facilitar o estabelecimento dessas empresas no país.

Reportagem: Ana Luiza Sério (ICTP-SAIFR), Malena Stariolo (ICTP-SAIFR), Yama Chiodi (ICTP-SAIFR);
Consultoria Científica: Daniel Stariolo (IF-UFF);
Edição: Malena Stariolo (ICTP-SAIFR).

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