O Nobel de Química de 2023 reconheceu o potencial das tecnologias criadas a partir da teoria quântica, que possibilitou o desenvolvimento de displays de TV e computadores

 

Leandro Steiw

 

As possibilidades da teoria quântica receberam, mais uma vez, a atenção da Academia Real das Ciências da Suécia. O Prêmio Nobel de Química de 2023 foi para o físico russo Alexei Ekimov e para os químicos norte-americano Louis Brus e francês Moungi Bawendi, em reconhecimento à descoberta e síntese de pontos quânticos — tecnologia usada em algumas telas de TV e monitores de computador. No ano passado, os experimentos de três cientistas com partículas subatômicas já haviam sido laureados com o Nobel de Física.

Conhecidos na indústria de nanocristais e na área de física de materiais como átomos artificiais, os pontos quânticos são estruturas artificiais de proporções manométricas — têm um milionésimo do tamanho da cabeça de um alfinete — que conseguem aprisionar elétrons. Por definição, elétrons confinados em um espaço muito pequeno são denominados pontos quânticos. A proximidade causada pelo confinamento dos elétrons origina efeitos quânticos exóticos, que produzem a variedade de cores dos displays LED com pontos quânticos, comercialmente vendidos como QLED, explica Luciano Silva, professor da disciplina Introduction to Quantum Computing, ministrada em inglês e oferecida pelo Insper a alunos do Brasil e do exterior.

Silva diz que as cores emitidas pela absorção da luz mudam conforme o tamanho do nanocristal que aprisiona esses elétrons. Quanto menor o ponto, mais ele tende ao azul. Quanto maior, mais tende ao vermelho. As TVs com ponto quântico são equipadas com um material semicondutor composto por nanocristais que aprisionam elétrons e conseguem emitir luz em diversas frequências. Combinações de vermelho, verde e azul estabelecem a escala de cores RGB, implantada desde os primeiros experimentos com TVs de imagem colorida, na década de 1920.

“O interessante é que os três pesquisadores não ganharam o Nobel por um trabalho feito em uma única época, mas por avanços que surgiram de forma colaborativa ao longo do tempo”, afirma Silva. Baseado em estudos anteriores sobre as propriedades das nanopartículas, Alexei Ekimov, da empresa Nanocrystals Technology, observou pela primeira vez, em 1981, os efeitos quânticos dependentes do tamanho do cristal sólido. Anos depois, Louis Brus, da Universidade Colúmbia, demonstrou que as mesmas propriedades ocorriam em partículas que flutuavam em líquidos.

Em 1993, Moungi Bawendi, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), conseguiu criar um método eficiente de fabricação dos nanocristais a partir das descobertas de Ekimov e Brus. Não por acaso, o site da Academia da Suécia sugeriu que os três cientistas “adicionaram cor à nanotecnologia”. Essa sequência de aperfeiçoamentos tornou possível acomodar cristais com dimensões de 2 a 10 nanômetros em displays de dezenas de polegadas, reconhecidos principalmente pela qualidade de brilho. “As tecnologias de LED mais antigas já usavam cristais líquidos, mas não com a tecnologia de pontos quânticos”, diz Silva.

 

Outras possibilidades

A tecnologia do ponto quântico também permite a observação de células humanas em nível de detalhe inatingível há algumas décadas, ampliando capacidades nas pesquisas experimentais de tratamento do câncer e na fabricação de instrumentos de laboratório, como microscópios. Os organizadores do Nobel citaram progressos potenciais em eletrônica flexível, sensores miniaturizados, células solares e comunicação quântica criptografada.

Na área de computação quântica, experimentam-se modelos baseados nas chamadas armadilhas de íons. “Uma das maneiras de implementação da computação quântica é pelo confinamento de um elétron, que pode ser um ponto quântico”, afirma Silva. “A partir do momento em que ele está confinado, consegue-se manipular não só um, mas vários elétrons, então produzem-se situações como superposição e emaranhamentos.”

O emaranhamento de partículas e antipartículas — elétrons e pósitrons, por exemplo — está na essência do quantum bit (qubit) da computação quântica, equivalente ao código binário dos computadores do nosso dia a dia. Ainda não existem máquinas quânticas para uso comercial. Segundo Silva, o mais próximo é o computador quântico da Microsoft, que não opera pelo ponto quântico, mas pelo qubit topológico. “A Microsoft trabalha com um tipo de partícula elementar, o férmion, que tem se mostrado mais tolerante a falhas nos testes iniciais”, diz o professor.

Com o desenvolvimento do qubit topológico, espera-se que os computadores quânticos operem em temperatura ambiente e diminuam de tamanho. As máquinas atuais precisam ser resfriadas em salas com criogenia, a baixíssimas temperaturas, para que apareçam as propriedades de supercondutividade.

Para os estudantes da disciplina Introduction to Quantum Computing, as promessas da era quântica não são novidade. Nos cursos de Engenharia de Computação e Ciência da Computação, eles utilizam máquinas virtuais e reais de computação quântica. Uma das atividades, por exemplo, é construir algoritmos na máquina quântica da IBM, acessível por meio de navegadores da internet.