As tecnologias baseadas na ciência quântica ajudarão os investigadores a compreender melhor o mundo natural e a utilizar os fenómenos quânticos em benefício da sociedade. Transformarão os cuidados de saúde, os transportes e as comunicações e aumentarão a resiliência às ameaças cibernéticas e aos desastres climáticos. Por exemplo, sensores quânticos de campo magnético permitirão imagens funcionais do cérebro; as comunicações ópticas quânticas permitirão a comunicação criptografada; e os computadores quânticos facilitarão a descoberta de materiais de próxima geração para energia fotovoltaica e medicamentos.
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Este artigo faz parte da série WIRED World in 2023, nosso briefing anual de tendências. Leia outros artigos desta série aqui – baixe ou solicite um exemplar da revista.
Atualmente, essas tecnologias dependem de materiais que são caros e difíceis de preparar, e muitas vezes requerem refrigeração criogênica cara e volumosa para operar. Esses equipamentos dependem de materiais preciosos, como o hélio líquido, que está se tornando cada vez mais caro à medida que a oferta global diminui. Em 2023, haverá uma revolução nos materiais de quantização inovadores que transformarão a tecnologia quântica. Além de reduzir as exigências ambientais, esses materiais permitirão a operação em temperatura ambiente e economizarão energia, além de serem baratos e fáceis de processar. Para otimizar suas propriedades quânticas, os laboratórios de pesquisa podem manipular a estrutura química e o empacotamento molecular. A boa notícia é que físicos e engenheiros já estão trabalhando e, em 2023, esses materiais sairão dos laboratórios científicos e entrarão no mundo real.
O Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido anunciou recentemente uma estrutura de inovação de materiais para tecnologias quânticas liderada pelo Imperial College London e pela Universidade de Manchester. O Centro de Nanotecnologia de Londres, que reúne centenas de pesquisadores do Imperial, King’s e University College London, tem experiência significativa na modelagem e caracterização de sistemas quânticos. A casa de medição da Grã-Bretanha, o Laboratório Físico Nacional, abriu recentemente o Instituto de Metrologia Quântica, uma instalação multimilionária projetada para caracterizar, validar e comercializar tecnologias quânticas. Pesquisadores e indústria trabalhando juntos darão início a uma nova era na indústria farmacêutica, na criptografia e na segurança cibernética.
Cubos, blocos de construção de computadores quânticos são baseados em materiais com propriedades quânticas, como a rotação de um elétron que pode ser manipulado. Assim que pudermos usar essas propriedades, poderemos control á-las com a ajuda de campos leves e magnéticos, criando fenômenos quânticos, como confusão e superposição. Cubos superfigurando – uma conquista moderna no campo das tecnologias quânticas – consistem em transições de Josephson que funcionam como supercondutores (materiais capazes de conduzir eletricidade com resistência zero) a temperaturas ultr a-baixas (-273ºC). Requisitos difíceis de temperatura e alta frequência para trabalho significam que mesmo os aspectos mais simples desses cubos supercondutores – dielétricos – são difíceis de desenvolver. Atualmente, materiais como nitreto de silício e nitreto de silício são usados para criar cubos, nos quais existem tantos defeitos que os próprios cubos devem ser milímetro para armazenar a energia do campo elétrico, e a interferência cruzada entre cubos vizinhos contribuem ruído significativo. Com esses materiais, é impossível obter milhões de cubos necessários para um computador quântico prático.
Em 2023, veremos ainda mais inovações no desenvolvimento de materiais para tecnologias quânticas. Dos muitos candidatos incríveis no momento (por exemplo, diamantes com defeitos de nitrogênio vagos, materiais van der-vialsov/2d e supercondutores de alta temperatura), estou mais satisfeito com o uso de materiais moleculares. Esses materiais são desenvolvidos com base nos semicondutores orgânicos de carbono, que são uma classe reconhecida de materiais para a produção escalável de eletrônicos domésticos (tendo feito uma revolução na indústria de exibição OLED com rotatividade multimilionária). Com a ajuda da química, podemos controlar suas propriedades ópticas e eletrônicas, e a infraestrutura relacionada ao seu desenvolvimento é baseada na experiência existente.
Por exemplo, materiais moleculares quirais – moléculas existentes na forma de um par de imagens espelhadas incompatíveis – revolucionarão as tecnologias quânticas. As finas camadas de alvo único dessas moléculas surpreendentemente universais podem ser usadas para controlar as costas dos elétrons à temperatura ambiente. Ao mesmo tempo, por muito tempo, a coerência de rotação e a boa estabilidade térmica e química das fluoreaninas de metal permitirão que elas sejam usadas para transferir informações quânticas.
Enquanto em 2023, sem dúvida, novas manchetes altas sobre a velocidade dos computadores de trabalho aparecerão, os estudiosos de materiais estudarão, abrirão e desenvolverão a próxima geração de tecnologias quânticas baratas, altamente eficazes e estáveis.
