Há pouco mais de uma década, Alan Santos concluía a graduação em Licenciatura em Física pela Universidade Regional do Cariri (Urca), no interior do Ceará. Hoje, integra o grupo de pesquisa do Instituto de Física Fundamental (IFF), vinculado ao Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), considerado o maior órgão público de pesquisa da Espanha. Em fevereiro último, assinou um artigo publicado na Physical Review Letters (PRL), intitulado “Quantum Charging Advantage in Superconducting Solid-State Batteries”.
Demonstrando experimentalmente uma vantagem quântica no carregamento de baterias quânticas utilizando qubits supercondutores, o artigo é resultado de uma colaboração entre brasileiros e pesquisadores chineses da International Quantum Academy e da Southern University of Science and Technology, ambas sediadas em Shenzhen, província de Guangdong, a cerca de 40 quilômetros de Hong Kong.
“Eles fabricam os próprios chips. Isso nos dá uma liberdade muito grande, porque, quando o dispositivo fica pronto, eles apresentam as propriedades experimentais e nós pensamos em aplicações para aquele sistema”, explica Alan.
Ainda segundo o pesquisador, essa integração entre teoria e experimento tem sido fundamental. “Esse já é o terceiro ou quarto trabalho que fazemos juntos. Cada chip tem propriedades diferentes e, para cada um deles, buscamos uma aplicação específica. É uma parceria de longa data que eu valorizo muito.”
Depois de formar-se na Urca em 2013, Alan realizou o mestrado e o doutorado no Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense (UFF), sob orientação do professor Marcelo Sarandy, que também assina o artigo. Embora hoje desenvolva suas pesquisas na Espanha, a colaboração entre orientador e ex-aluno permanece intensa e foi fundamental para o desenvolvimento do estudo sobre baterias quânticas.
“Eu tive a felicidade de ter sido aluno de doutorado do Sarandy. Fiz o meu mestrado e doutorado com ele e, embora depois eu tenha seguido outros caminhos, a gente sempre manteve uma parceria muito forte. A gente discute muita física até hoje, temos projetos em comum e eu continuo aprendendo com ele”, conta.
Antes de falar sobre vantagens das baterias quânticas, Alan faz questão de destacar suas origens. Natural de Várzea Alegre, no Cariri cearense, ele descreve a região como um polo muito mais diverso do que muitos brasileiros imaginam.
“O Cariri é uma região culturalmente muito rica, conhecida pela religiosidade, pela biodiversidade e também pela ciência. A Universidade Regional do Cariri tem grupos muito fortes, especialmente em paleontologia e biologia, por causa da Chapada do Araripe. Eu sou suspeito para falar porque amo aquele lugar, mas é uma região que inspira muita gente a fazer ciência”, afirma.
Sobre o trabalho publicado na PRL, Alan explica que, embora o tema desperte comparações com as baterias presentes em celulares ou carros elétricos, o conceito é bastante diferente.
Enquanto baterias convencionais armazenam energia por meio de reações químicas, as baterias quânticas, ele conta, exploram propriedades fundamentais da mecânica quântica, como a superposição de estados e, em muitos casos, o emaranhamento quântico.
“Uma bateria quântica é um sistema extremamente microscópico, formado por poucas partículas, no qual exploramos propriedades quânticas para armazenar energia de forma mais eficiente. O objetivo não é apenas guardar energia, mas carregá-la muito mais rapidamente do que seria possível em um sistema equivalente sem essas propriedades quânticas”, sintetiza.
Segundo ele, é importante esclarecer que baterias convencionais também obedecem às leis da mecânica quântica, mas operam em uma escala completamente diferente.
“Quando falamos em bateria quântica, estamos nos referindo a sistemas muito menores, nos quais efeitos como coerência quântica e emaranhamento podem ser explorados diretamente para obter vantagens no processo de carregamento”, acrescenta.
Ainda de acordo com Alan, nos últimos anos diversos trabalhos teóricos demonstraram que seria possível obter um chamado “supercarregamento” em baterias quânticas. O problema é que essas propostas dependiam de interações complexas entre muitas partículas ao mesmo tempo, fenômenos difíceis de reproduzir experimentalmente. Foi justamente esse obstáculo que motivou a pesquisa.
“A pergunta que fizemos foi simples: dado o tipo de interação que realmente existe nesse dispositivo, qual é a melhor estratégia possível? Em vez de utilizar interações envolvendo muitos corpos, trabalhamos apenas com interações de pares, muito mais naturais nesses qubits supercondutores. E, mesmo assim, conseguimos observar uma vantagem quântica”, explica.
O resultado surpreendeu até os próprios pesquisadores. “Nosso modelo é relativamente simples e, mesmo assim, apresentou um desempenho melhor do que o carregamento clássico equivalente. Não atingimos o limite máximo previsto pela teoria, mas mostramos que é possível obter vantagem quântica em uma arquitetura muito mais próxima da realidade experimental”, afirma.
Além da novidade teórica, o trabalho representa um marco experimental. “Foi a primeira proposta de bateria quântica com múltiplos qubits supercondutores demonstrando vantagem quântica de carregamento”, pontua Alan.
O experimento utilizou até 12 qubits supercondutores, um número que, segundo o pesquisador brasileiro, foi suficiente para observar como o desempenho evolui à medida que o sistema cresce.
“Precisávamos entender como a vantagem se comportava quando aumentávamos o número de qubits. O chip tinha originalmente 16, mas alguns apresentavam limitações experimentais. Com 12 conseguimos observar claramente que, quanto maior o sistema, melhor a potência de carregamento”, explica.
Mas as simulações teóricas, realizadas paralelamente, foram além. “Nelas chegamos a 21 qubits e continuamos vendo essa vantagem aumentar. Ainda não sabemos até onde esse crescimento vai, mas os resultados são bastante promissores”, afirma.
Não obstante o entusiasmo, Alan observa que as baterias quânticas ainda estão muito distantes de aplicações comerciais. Hoje, ele diz, o maior obstáculo não é apenas carregá-las rapidamente, mas conservar a energia armazenada.
“Nossa bateria consegue carregar muito rápido, mas também descarrega muito rápido. O tempo de vida ainda é extremamente curto. Precisamos entender muito melhor esses processos antes de pensar em aplicações reais”, afirma.
Mesmo assim, as possibilidades futuras são amplas, especialmente dentro das próprias tecnologias quânticas. “No papel, as aplicações são diversas. Uma possibilidade é utilizar baterias quânticas para alimentar computadores quânticos e outros dispositivos quânticos. Como estamos entrando na era das tecnologias quânticas, faz sentido pensar também em soluções energéticas igualmente quânticas. Elas são os melhores candidatos? Ainda não sabemos. Mas certamente são candidatos muito fortes.”
Ao final da entrevista, Alan aproveitou para deixar uma mensagem aos jovens pesquisadores brasileiros e reforçar a importância do investimento contínuo em ciência.
“A mensagem principal que gostaria de deixar é de resiliência. A gente vive um período difícil, com muita desinformação e ainda pouco investimento em educação. É importante investir mais, mas também investir corretamente. O Brasil tem um potencial humano enorme. Precisamos criar condições para formar pesquisadores e também para trazer de volta quem foi fazer ciência no exterior. O capital humano do Brasil é muito grande. A gente é brasileiro e não desiste nunca.”
Se as baterias quânticas ainda pertencem ao horizonte das próximas décadas, pesquisas como a liderada por essa colaboração internacional mostram que o caminho para transformar teoria em tecnologia já começou a ser percorrido. E conta, entre seus protagonistas, com um físico que saiu do interior do Ceará para participar de um dos campos mais promissores da física contemporânea.
Para ter acesso ao que Alan e seus alunos têm feito no IFF-CSIC, acesse https://www.acsantos.xyz.
Assista à entrevista completa
Por Leandro Haberli
