Na última década, os governos da China, Estados Unidos, União Europeia e outros países lançaram suas iniciativas nacionais para o desenvolvimento de tecnologias quânticas. Nesse cenário, torna-se cada vez mais urgente que o Brasil crie a sua própria iniciativa.
Trata-se de uma questão de soberania nacional. Afinal, as novas tecnologias quânticas têm aplicações militares. A criptografia quântica, por exemplo, pode ser usada para transmitir informações estratégicas confidenciais, enquanto sensores quânticos permitem a movimentação sigilosa de submarinos ou a espionagem de territórios inimigos por satélite.
O Departamento de Comércio dos Estados Unidos reconheceu o uso bélico dessas tecnologias em uma nota publicada em 5 de setembro de 2024, afirmando que o país colaborará em seu desenvolvimento apenas com alguns aliados, como países da Europa, Canadá, Japão e Austrália. Mesmo antes dessa nota, pesquisadores brasileiros já vinham relatando crescentes dificuldades para acessar computadores quânticos e importar equipamentos essenciais, não só dos Estados Unidos, mas também de outras nações desenvolvidas.
Me preocupa que uma área que foi desenvolvida graças à cooperação científica internacional se feche agora. Vai ser péssimo
Luiz Davidovich
Professor emérito do Instituto de Física da UFRJ e distinguished fellow do Instituto para Ciência e Engenharia Quânticas, da Universidade do Texas A&M, Estados Unidos. Davidovich também foi presidente da Academia Brasileira de Ciências, de 2016 a 2022
Felizmente, o governo federal começa a reagir. Desde 2023, o Ministério da Defesa organiza um encontro nacional anual sobre tecnologias quânticas, enquanto projetos de pesquisa nessa área já estão em andamento no Exército Brasileiro e no Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA). Em abril de 2024, pesquisadores de todo o país se reuniram para debater propostas sobre ciência e tecnologias quânticas, reunindo recomendações para a 5ª Conferência Nacional de Ciência, Tecnologia e Inovação. Atualmente, o Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), prepara uma proposta de iniciativa quântica nacional.
Nesse campo, o governo do estado de São Paulo saiu na frente. Em abril de 2024, a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) lançou o seu Programa em Tecnologias Quânticas, conhecido pela sigla em inglês QuTIa (Quantum Techologies Iniative). Coordenado pelos físicos Gustavo Wiederhecker, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Ben Hur Borges, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), e Felipe Fanchini, da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Bauru, o programa pretende posicionar São Paulo como líder no desenvolvimento de tecnologias quânticas na América Latina. Com um orçamento da ordem de R$150 milhões para os próximos cinco anos, o QuTIa prevê ações como a apoio à pesquisa, formação de engenheiros quânticos e estímulo ao crescimento de startups.
As origens do QuTIa remontam a agosto de 2020, durante a pandemia de covid-19, quando um grupo de pesquisadores começou a se reunir virtualmente para discutir os caminhos possíveis para o desenvolvimento da ciência e tecnologias quânticas no estado de São Paulo, inicialmente, mas pensando também em como expandir as atividades para todo o Brasil e a América Latina. O grupo começou com apenas cinco físicos: Frederico Brito, do IFSC-USP, Celso Villas-Bôas, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Philippe Courteille, do IFSC-USP, Marcelo Terra Cunha, da Unicamp, Paulo Nussenzveig, da USP, e Gustavo Wiederhecker, da Unicamp. Logo as reuniões cresceram, dando lugar a eventos envolvendo mais pesquisadores da comunidade nacional e internacional, além de representantes do setor privado.
Um dos marcos desse processo foi o Simpósio Principia/SAIFR de Tecnologias Quânticas para São Paulo, Brasil e América Latina, organizado em conjunto com o ICTP-SAIFR e realizado no Instituto Principia, entre 30 de janeiro e 16 de fevereiro de 2023. O evento incluiu um workshop de duas semanas com 29 pesquisadores de vários países e mais uma semana dedicada à redação do documento Rota para o Desenvolvimento de Tecnologias e Ciências Quânticas no Brasil. Revisado em maio de 2024, após os encontros preparatórios para a 5ª Conferência Nacional de Ciência, Tecnologia e Inovação, o documento serviu de base para o Programa QuTIa da FAPESP.
Desde então, o ICTP-SAIFR tem desempenhado um papel central na articulação da comunidade científica da área. O instituto já organizou duas escolas de computação quântica, em novembro de 2022 e outubro de 2024, e, desde dezembro de 2024, promove a série de Encontros de Grupos de Pesquisa em Tecnologias Quânticas, organizada por Gustavo Wiederhecker. Os encontros realizados a cada dois meses reúnem pesquisadores do estado de São Paulo e seus colaboradores nacionais e internacionais para a troca de ideias e possíveis colaborações. Em março de 2025, o ICTP-SAIFR também organizou um painel online e presencial sobre tecnologias quânticas, em parceria com a Sociedade Americana de Física (APS), durante o APS Global Summit, em Anaheim, Califórnia, Estados Unidos — o maior congresso de física do mundo.
As novas tecnologias quânticas de segunda geração não são apenas uma questão de soberania nacional ou uma possível fonte de crescimento econômico. No documento Rota para O Desenvolvimento de Tecnologias e Ciências Quânticas no Brasil, os pesquisadores apontam que as tecnologias quânticas têm o potencial de ajudar o país a alcançar ao menos cinco dos 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável, estabelecidos pela Organização das Nações Unidas (ONU) para serem cumpridos até 2030:
Em dezembro de 2024, o Programa QuTIa da FAPESP deu o seu primeiro passo ao conceder apoio financeiro a cinco jovens pesquisadores de destaque internacional, para que estabeleçam novos laboratórios de tecnologias quânticas em universidades no estado de São Paulo. Cada um deles pretende iniciar uma linha de pesquisa inédita na região. Vamos agora conhecer o trabalho desses jovens físicos.
Professor do Instituto de Física da USP desde 2023, o físico Rafael Barros coordena a instalação de uma nova rede dedicada ao desenvolvimento de tecnologias de criptografia quântica. Chamada de QNeSP (Quantum Network of São Paulo), a rede interliga, por cabos de fibra óptica, três campi da USP no interior do estado. A proposta é realizar a distribuição quântica de chaves criptográficas entre os campi de Ribeirão Preto e Piracicaba, separados por mais de 150 quilômetros, utilizando pares de fótons emaranhados emitidos a partir de uma estação intermediária, localizada no campus de São Carlos.
A previsão é que as fibras ópticas cheguem também à capital em 2025. Na cidade de São Paulo, temos a perspectiva de realizar trocas de chaves com feixes de laser no espaço aéreo, por meio de telescópios
Rafael Barros
Professor do Instituto de Física da USP
O laboratório de Barros trabalha no aperfeiçoamento da técnica mais utilizada atualmente para gerar pares de fótons emaranhados: a conversão paramétrica descendente espontânea, em que um fóton atravessa um cristal, ou outro meio com propriedades ópticas não lineares, e se transforma em dois fótons emaranhados.
Nossa intenção é dominar essa técnica com altas taxas de produção de pares e boa qualidade de emaranhamento, da maneira mais barata possível, de modo que possamos ajudar outras redes quânticas nacionais
Rafael Barros
Professor do Instituto de Física da USP
Outro projeto do grupo é o desenvolvimento de detectores de fótons únicos para comprimentos de onda usados em telecomunicações, a um custo mais acessível. Detectores de fótons visíveis, feitos à base de silício, são relativamente baratos, mas as fibras ópticas convencionais não transmitem bem a luz visível, sendo projetadas para operar com comprimentos de onda no infravermelho. O silício, porém, é transparente para fótons desse comprimento de onda. Para detectar fótons únicos infravermelhos, são necessárias tecnologias mais sofisticadas, como nanofios supercondutores. Esses dispositivos funcionam resfriados a temperaturas próximas de alguns graus do zero absoluto (−273 °C) e podem custar até 170 mil dólares. IMAGEM DETCTOR
Para contornar esse problema, Barros investiga um processo físico chamado conversão quântica de frequências. Nele, um fóton atravessa um meio óptico não linear, iluminado por um feixe de luz intensa com outro comprimento de onda. Se o meio for adequadamente projetado, ele pode alterar o comprimento de onda do fóton sem modificar seu estado quântico original. Isso permitiria, por exemplo, converter um fóton infravermelho em um fóton visível, viabilizando sua detecção com sensores de silício. “Isso também pode ajudar a baratear as iniciativas de comunicação quântica”, afirma. IMAGEM PROCESSO
O grupo também pretende usar a QNeSP para desenvolver novos protocolos de distribuição quântica de chaves criptográficas com a chamada luz estruturada. Tradicionalmente, essas chaves são codificadas usando a polarização da luz, que possui dois estados (0 e 1). Mas é possível usar outras propriedades espaciais e temporais da luz para criar códigos com um “alfabeto” maior — representando, por exemplo, os números 1, 2, 3, 4, 5, e assim por diante. Esse tipo de codificação pode aumentar a velocidade de transmissão de informação quântica e torná-la mais resistente a ruídos.
O desafio é que a luz estruturada é geralmente produzida com modos variando ao longo do espaço. As fibras ópticas convencionais, porém, não permitem a transmissão dessas estruturas espaciais. Por isso, Barros está trabalhando no desenvolvimento de luz estruturada no tempo, que pode ser transmitida por fibras ópticas e ainda é pouco estudada em relação à luz estruturada no espaço.
Segundo Barros, o uso de luz estruturada no tempo em ligações aéreas também é pouco conhecido.
Não sabemos se esses modos temporais são mais adequados do que os espaciais, especialmente por conta de uma possível maior robustez à turbulência. Isso é algo que pretendemos investigar
Rafael Barros
Professor do Instituto de Física da USP
Além de colaborar com outras redes quânticas brasileiras, o projeto de Barros contará com a parceria de outros laboratórios, incluindo o Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz da USP, liderado pelos físicos Marcelo Martinelli e Paulo Nussenzveig, e o grupo de óptica quântica experimental da Universidade de Tampere, na Finlândia, onde Barros realizou seu pós-doutorado.
Também no Instituto de Física da USP, o pesquisador Rodrigo Benevides está montando um laboratório dedicado ao desenvolvimento de dispositivos para computação quântica. “Estamos tentando criar conexões de longa distância entre computadores quânticos supercondutores, com o objetivo de construir uma internet quântica”, explica o físico.
O grupo trabalha para conectar a principal tecnologia atual de computação quântica — os qubits supercondutores — com a tecnologia convencional de telecomunicações baseada em fibras ópticas. Para isso, pretende construir dispositivos chamados transdutores quânticos, capazes de transferir a informação quântica de um qubit supercondutor para um fóton a ser transmitido por fibra óptica (e vice-versa), viabilizando a comunicação à distância entre computadores quânticos. Essa é uma tecnologia ainda em estágio experimental, pesquisada por grupos ao redor do mundo com abordagens diversas. IMAGEM QUIBITS
No projeto, os pesquisadores irão fabricar seus próprios chips com qubits supercondutores, em parceria com os laboratórios de microfabricação da Escola Politécnica da USP, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, e da Unicamp — este último coordenado pelo físico Francisco Rouxinol, pioneiro na fabricação desses qubits no Brasil.
Esses chips exigem processos de fabricação muito delicados, com equipamentos especializados, o que torna o desenvolvimento custoso e difícil. A colaboração com os grupos do CBPF e da Unicamp será fundamental para fortalecer essa área no país
Rodrigo Benevides
Professor do Instituto de Física da USP
O laboratório vai contar com um refrigerador de diluição, capaz de resfriar os chips supercondutores a temperaturas muito próximas do zero absoluto, necessárias para o funcionamento do qubits. Também estão sendo montados equipamentos para manipular os qubits com radiação microondas e para realizar experimentos com fibras ópticas.
Benevides manterá ainda parcerias com grupos de pesquisa da Áustria, Estados Unidos e Holanda, com destaque para sua colaboração com o grupo da física Yiwen Chu, na Universidade Técnica de Zurique, na Suíça, onde fez pós-doutorado. Chu é pioneira na computação quântica baseada em sistemas híbridos, que usam, por exemplo, vibrações sonoras quânticas (os fônons) para conectar qubits supercondutores a fótons de telecomunicações. “Esperamos que nosso projeto ajude a colocar o Brasil como um ator relevante na computação quântica em nível internacional”, afirma.
No Centro de Ciências Naturais e Humanas da Universidade Federal do ABC (UFABC), o físico Hans Marin Florez está iniciando uma área de pesquisa ainda pouco explorada no Brasil: a física com células de vapores atômicos. Essas células são pequenos recipientes transparentes, de alguns milímetros a poucos centímetros, contendo vapores de átomos de elementos alcalinos como césio e rubídio. Os estados quânticos desses átomos podem ser manipulados por feixes de laser mesmo à temperatura ambiente.
Florez explica que, no país, muitos grupos trabalham com átomos resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto, usando lasers.
Com átomos frios conseguimos controlar os estados atômicos com muita precisão por meio da luz. Mas são sistemas complexos. Para tecnologias quânticas, é interessante trabalhar com sistemas mais simples como as células de vapor, que vêm ganhando novas aplicações
Hans Marin Florez
Físico na Universidade Federal do ABC (UFABC)
Seu objetivo é construir o primeiro magnetômetro atômico nacional. Como vimos na seção sobre sensores quânticos, magnetômetros atômicos são dispositivos que medem campos magnéticos com altíssima sensibilidade, usando células de vapor. Eles funcionam inicialmente com um feixe laser de polarização circular, que alinha os spins dos elétrons dos átomos na célula. Quando um campo magnético está presente, esses spins começam a precessionar, como um pião girando inclinado, e essa mudança afeta a forma como os átomos interagem com um segundo feixe laser. A análise desse segundo feixe permite detectar campos magnéticos extremamente fracos, da ordem de femtoteslas — cerca de 50 trilhões de vezes mais fracos que o campo de um ímã de geladeira. IMAGEM MANETÔMETRO
Entre 2016 e 2017, Florez fez pós-doutorado com o físico Thomas Fernholz na Universidade de Nottingham, no Reino Unido, desenvolvendo um magnetômetro atômico vetorial. Ao contrário dos magnetômetros comerciais, que medem apenas a intensidade do campo, esse tipo de aparelho também pode identificar sua direção. Florez e Fernholz, junto com o físico Tadas Pyragius, propuseram um novo método, usando lasers com polarização diferente, capaz de detectar a orientação dos campos.
Ainda em Nottingham, Florez teve contato com o grupo do físico Matthew Brookes, que desenvolveu uma nova técnica de magnetoencefalografia (MEG) com magnetômetros atômicos. A MEG mede os campos magnéticos produzidos pela atividade cerebral em tempo real. A nova abordagem, além de mais barata do que a técnica convencional baseada em sensores supercondutores, é potencialmente mais sensível e adaptável ao formato de diferentes crânios, inclusive de crianças.
Após seu estágio na Inglaterra, Florez realizou outro pós-doutorado na USP, no laboratório coordenado por Marcelo Martinelli e Paulo Nussenzveig. Em 2022, ele e seus colegas usaram uma célula com átomos de rubídio dentro de uma cavidade óptica para produzir dois pares de feixes de luz emaranhados em suas fases e intensidades, cada um com um comprimento de onda distinto. Além disso, os físicos descobriram que as correlações quânticas entre os feixes geram luz com ruído abaixo do limite quântico padrão — a chamada luz comprimida, usada para realizar medições muito mais precisas do que seria possível com luz comum.
Conseguimos ver um sinal que seria invisível com uma fonte clássica, por causa do ruído de fundo. É como tentar conversar com alguém do outro lado de uma festa: se todos fizerem silêncio, a outra pessoa consegue ouvir.
Não é trivial construir fontes de luz com compressão de ruído. A vantagem de produzir esse tipo de luz com células de vapor atômico é que ela já tem o comprimento de onda usado nos magnetômetros
Hans Marin Florez
Físico na Universidade Federal do ABC (UFABC)
Parte do projeto de será usar essa luz comprimida para melhorar a precisão de magnetômetros vetoriais, além de demonstrar essas técnicas com células de vapor cada vez menores. Enquanto os experimentos normalmente usam células de 2 a 7 centímetros, os modelos comerciais mais compactos já têm apenas 3 milímetros. Quanto menores forem as células utilizadas, mais próximo o laboratório de Flores estará de um construir um protótipo comercial.
No Instituto de Física de São Carlos da USP (IFSC-USP), o físico Amilson Fritsch está desenvolvendo armadilhas que usam campos eletromagnéticos para aprisionar individualmente átomos eletricamente carregados, os íons. Nessas armadilhas, os íons podem ser organizados em uma fileira, enquanto feixes de laser controlam as interações entre eles, gerando estados quânticos de sobreposição e emaranhamento, funcionando como qubits de um computador quântico. Além disso, os íons aprisionados apresentam propriedades que os tornam também bons relógios atômicos. IMAGEM ARMADILHA
Este experimento será dedicado principalmente à computação quântica, mas também será utilizado em diversas medidas de precisão, como por exemplo, medidas de tempo e frequência
Amilson Fritsch
Físico no Instituto de Física de São Carlos da USP (IFSC-USP)
O experimento utilizará íons de estrôncio. “A armadilha será capaz de aprisionar estavelmente cerca de 50 íons, assim como fazem várias armadilhas similares que aprisionam íons em uma dimensão”, ele explica. O número de qubits do computador quântico, porém, poderá ser inferior ao número total de íons, dependendo da complexidade da manipulação individual exigida por cada algoritmo quântico. “Alguns experimentos poderão ser realizados com até 50 qubits.”
Como não há nenhum experimento semelhante no Brasil, poucos pesquisadores no país dominam as técnicas envolvidas em sua implementação, e a maior parte dos equipamentos deverá ser importada. Fritsch, no entanto, espera contar com a colaboração de pesquisadores teóricos brasileiros, que atualmente dependem de grupos experimentais de íons aprisionados em outros países para testarem suas ideias. O projeto terá ainda a colaboração de duas referências internacionais na área: os grupos dos físicos Christopher Monroe, da Universidade Duke, e David Wineland, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), nos Estados Unidos. Wineland recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2012 por desenvolver as técnicas que levaram à criação das atuais armadilhas de íons individuais.
No Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp, o físico Saimon Felipe Covre da Silva está criando um laboratório para desenvolver uma nova fonte de luz emissora de fótons únicos com comprimento de onda na faixa das telecomunicações, com aplicações em computação e criptografia quântica.
Durante seu doutorado na Universidade Federal de Viçosa (UFV), em Minas Gerais, Covre da Silva colaborou com o físico Christoph Deneke, do IFGW-Unicamp, na instalação de um novo sistema de epitaxia por feixe molecular — uma técnica usada no crescimento de filmes finos para a fabricação de nanoestruturas de alta qualidade com precisão atômica — no Laboratório Nacional de Nanotecnologia, do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), também em Campinas.
A experiência levou Covre da Silva a um estágio de pós-doutorado no grupo do físico Armando Rastelli, na Universidade Johannes Kepler, em Linz, na Áustria. Lá, entre 2017 e 2024, o físico brasileiro utilizou a epitaxia por feixe molecular para fabricar uma fonte de luz de fótons únicos baseada em pontos quânticos — estruturas extremamente pequenas, com menos de 10 nanômetros de diâmetro, feitas de materiais semicondutores. Cada ponto quântico abriga um único elétron, cujo estado quântico pode ser controlado com feixes de laser para que ele emita um fóton por vez, desde que esteja a uma temperatura criogênica próxima de -269 °C.
Em seu novo laboratório na Unicamp, Covre da Silva construirá o primeiro sistema de epitaxia por feixe molecular dedicado ao desenvolvimento de dispositivos para tecnologias quânticas de segunda geração no país. Esse será o primeiro passo de um processo complexo, que envolve diversas etapas subsequentes. O pesquisador começará com o crescimento dos pontos quânticos, para a fabricação da nova fonte de luz. Para as etapas seguintes, ele espera contar com a colaboração de outros grupos experimentais. A caracterização óptica dos pontos quânticos, por exemplo, será realizada em parceria com o grupo do físico Márcio Daldin Teodoro, da UFSCar.
Estou aberto a novas parcerias para as diferentes etapas do projeto e acredito que podemos realizar pesquisa de ponta no Brasil nesse campo emergente. Assim que obtivermos as primeiras amostras emitindo fótons únicos na banda de telecomunicações, poderemos nos tornar uma referência global nessa área de pesquisa
Saimon Felipe Covre da Silva
Físico no Instituto de Física Gleb wataghin (IFGW) da Unicamp
As novas fontes de luz terão aplicação direta nos projetos de redes quânticas nacionais em Recife, Rio de Janeiro e São Paulo. As fontes também poderão ser usadas no projeto de processadores quânticos fotônicos do físico Pierre-Louis de Assis, na Unicamp.
Além disso, o novo sistema de epitaxia será um equipamento multiusuário, podendo ser utilizado por outros pesquisadores para o crescimento de filmes semicondutores de alta qualidade feitos de arsênio, gálio, índio, alumínio e antimônio. O instrumento permitirá construir, camada por camada, diversos dispositivos além das fontes de fótons únicos, como, por exemplo, lasers, micro-LEDs e sensores de infravermelho.
Ainda há desafios, mas os primeiros passos já estão sendo dados. Se houver um compromisso contínuo com investimentos e inovação, o Brasil poderá desempenhar um papel de destaque no cenário global dessa nova revolução tecnológica
Saimon Felipe Covre da Silva
Físico no Instituto de Física Gleb wataghin (IFGW) da Unicamp
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).
