O Caminho para o 6G Pode Ser Pavimentado com Grafeno

O futuro da tecnologia de comunicações sem fio está avançando rapidamente. Foi somente em 2019 que os operadores globais começaram a lançar o 5G. Enquanto o 5G ainda está em processo de implementação global, o 6G já começou a ser desenvolvido. 

O 6G é a sexta geração de tecnologia sem fio. A primeira geração, 1G, surgiu na década de 1980 e fornecia voz analógica. Depois, no início dos anos 1990, o 2G foi introduzido, trazendo voz digital e melhorando não apenas a qualidade da voz, mas também a vida útil da bateria e a segurança da rede.

Isso foi seguido pelo 3G no início dos anos 2000, que trouxe dados móveis e abriu novas possibilidades, como chamadas de vídeo e suporte a mensagens multimídia. A quarta geração, 4G, na década de 2010, inaugurou a era da banda larga móvel com latência reduzida e largura de banda de alta velocidade. Enquanto isso, o 5G aumentou ainda mais a velocidade e suporta aplicações como realidade aumentada (AR) e condução autônoma.

Portanto, cada nova geração de tecnologia de comunicações sem fio trouxe novas capacidades, e isso vale também para o 6G.

Continuando a tendência de inovação e melhorias nas comunicações sem fio, o 6G nos trará maior largura de banda e velocidade, latência extremamente baixa e confiabilidade. Com essa tecnologia, o objetivo é realmente oferecer inteligência e comunicação sem fio onipresentes.

A nova tecnologia usará os mesmos blocos de construção das redes anteriores, como estações base, roteadores, antenas, etc., mas o que a tornará diferente é o uso de novas tecnologias para avançar ainda mais as capacidades de comunicação sem fio. 

Isso significa que o 6G será construído sobre o 5G para aperfeiçoar ainda mais as melhorias trazidas pela tecnologia atual na conectividade de rede para o usuário final. 

Além de fornecer conectividade de alta velocidade com latência previsivelmente baixa, espera‑se que a rede 6G lide com a demanda de tráfego exponencialmente crescente de maneira econômica. Ela também pode finalmente alcançar cobertura global completa, oferecendo acesso a todos. No entanto, suportar um número tão grande de dispositivos exigirá custos sustentáveis tanto para provedores de serviço quanto para consumidores. 

No entanto, isso não é suficiente. Além dessas melhorias e da cobertura mundial ao conectar áreas remotas, os avanços tecnológicos também precisam oferecer resistência a ataques maliciosos deliberados à infraestrutura e resiliência contra desastres naturais e perturbações locais.

Todos esses avanços na tecnologia 6G nos ajudarão em cuidados de saúde de precisão, agricultura inteligente, cidades inteligentes, gêmeos digitais, comunicações espaciais e navegação de robôs. Ela também permitirá o processamento e a análise de dados em tempo real na borda da rede, bem como a incorporação perfeita de bilhões de dispositivos interconectados ao cotidiano. Espera‑se que a implantação do 6G também contribua com inovações ecológicas para minimizar o impacto ambiental e promover o desenvolvimento sustentável.

Embora o 6G prometa um futuro altamente avançado, ele enfrenta vários desafios, incluindo custo e segurança. Para que essa tecnologia esteja operacional, precisaríamos de uma nova infraestrutura em escala, o que é caro de construir. Além disso, a tecnologia de código aberto, redes virtuais e IoT aumentarão sua vulnerabilidade a violações de segurança.

Aqui, criptografia quântica, blockchain e as capacidades preditivas da IA estão sendo exploradas como possíveis soluções de segurança, enquanto a virtualização de muitos componentes físicos deve ajudar a reduzir custos.

Quanto ao tamanho do mercado global dessa tecnologia, projeta‑se que valha $40,5 bilhões até 2032, impulsionado pela demanda por hiper‑conectividade, benefícios de baixa latência e altas taxas de dados, a promessa de aplicações de próxima geração, a utilização de frequências terahertz e IA, e o potencial de reduzir a divisão digital.

Espera‑se que a tecnologia 6G comece a ser implementada até o final desta década. Por enquanto, ainda está nas fases iniciais de pesquisa.

Melhorando a Comunicação Sem Fio com Material Quântico

Com um foco crescente em melhorar drasticamente a tecnologia de comunicação sem fio globalmente, os pesquisadores estão explorando diferentes maneiras de desbloquear tecnologias mais rápidas e eficientes na comunicação sem fio.

Uma equipe de pesquisadores agora encontrou maneiras de amplificar a conversão de frequência de ondas terahertz (THz) em estruturas baseadas em grafeno. 

Os sistemas de comunicação sem fio terahertz (THz) têm ganhado muita atenção devido à busca por larguras de banda e frequências cada vez maiores no espectro THz, especialmente larguras de banda amplas.

Embora a largura de banda em megahertz seja suficiente para as aplicações atuais, cenários futuros de comunicação de rede exigirão larguras de banda de vários gigahertz (GHz) para um bom desempenho. Sendo ondas de alta frequência com comprimentos de onda extremamente curtos, as ondas THz podem transmitir dados mais rapidamente.

Terahertz (THz) é uma unidade de frequência que mede ondas eletromagnéticas na faixa de 0,1‑10 THz. Essas ondas, que são não invasivas e seguras para humanos, animais e plantas, estão localizadas entre o infravermelho e as ondas milimétricas no espectro eletromagnético (EM).

Isso significa que as ondas THz podem ser utilizadas para imagens não invasivas através de materiais opacos para controle de qualidade e aplicações de segurança.

Seu potencial de largura de banda extremamente grande permite ainda taxas de dados ultra‑altas e, claro, habilita capacidades que vão além do 5G. No entanto, essa tecnologia promissora é facilmente absorvida por componentes atmosféricos como ar e vapor d’água, o que reduz a força do sinal à distância. 

Quanto ao potencial das ondas THz para comunicação sem fio, foram feitos progressos em óptica não linear THz. Óptica não linear envolve o estudo da interação da luz com materiais para criar fenômenos únicos, incluindo a geração de harmônicos ópticos.

À medida que as tecnologias THz continuam a evoluir, pesquisadores da Universidade de Ottawa desenvolveram uma forma de construir dispositivos que podem converter sinais eletromagnéticos para frequências de oscilação mais altas. Isso pode efetivamente reduzir a lacuna entre a eletrônica GHz e a fotônica THz.

As descobertas do estudo mais recente, publicado na Nature¹ mostraram as estratégias inovadoras da equipe para melhorar as não linearidades THz em dispositivos baseados em grafeno.

According to Jean-Michel Ménard, the associate professor of Physics from the Faculty of Science who collaborated on the project:

“[Isso] marca um passo significativo à frente na melhoria da eficiência dos conversores de frequência THz, um aspecto crítico para aplicações multiespectrais THz e especialmente para o futuro dos sistemas de comunicação, como o 6G.”

Usando o método demonstrado na nova pesquisa, as propriedades ópticas únicas do grafeno também podem ser aproveitadas.

Extraído do grafite, o grafeno é composto de carbono puro, que é um dos elementos mais importantes da natureza. Esse material quântico emergente é, na verdade, formado por uma única camada de átomos de carbono e é conhecido por ser resistente, leve e flexível. 

Este material 2D também é conhecido por sua resistência e alta condutividade térmica e elétrica. Mais importante ainda, o grafeno possui propriedades ópticas notáveis. Estas incluem alta transparência no espectro visível, que depende de sua estrutura de bandas, absorção óptica infravermelha ajustável e foto‑resposta até a faixa de frequência THz.

Todas essas propriedades incríveis tornam o grafeno um material valioso nos campos de energia, construção, saúde e setores eletrônicos. Notavelmente, sua grande não linearidade óptica, juntamente com sua facilidade de integração em dispositivos, faz do grafeno um candidato ideal para se tornar um componente chave para tecnologias de comutação totalmente óptica e conversão de frequência para processamento de sinais e aplicações de comunicação sem fio.

Estudos que anteriormente combinaram luz THz e grafeno focaram principalmente nas interações fundamentais luz‑matéria. Avaliar apenas o efeito de um único parâmetro gera efeitos não lineares bastante fracos.

Portanto, a pesquisa mais recente combinou múltiplas abordagens inovadoras para melhorar esses efeitos não lineares e, ao mesmo tempo, aproveitar ao máximo as propriedades únicas do grafeno.

Para impulsionar as não linearidades THz em estruturas baseadas em grafeno, a equipe aumentou o comprimento de interação usando um design multicamadas, controlou a densidade de portadores com um portão elétrico e modulou a distribuição espacial do campo THz com um substrato de metasuperfície metálica. 

O novo experimento, juntamente com suas arquiteturas de dispositivos, Ali Maleki, estudante de doutorado no grupo Ultrafast THz da uOttawa, observou, “oferece a possibilidade de explorar uma vasta gama de materiais além do grafeno e potencialmente identificar novos mecanismos ópticos não lineares.” 

A equipe relatou fatores de aprimoramento da geração de terceiro harmônico (THG) superiores a trinta e propôs arquiteturas capazes de alcançar um aumento de duas ordens de magnitude. 

Maleki, que reuniu e analisou os resultados do estudo, acredita que a pesquisa é crucial para refinar as técnicas de conversão de frequência THz. O desenvolvimento, segundo ele, eventualmente também ajudará a integrar essa tecnologia em aplicações do mundo real, “particularmente para possibilitar conversores de sinal THz não lineares eficientes e integrados em chip que impulsionarão os sistemas de comunicação futuros.”

Principais Players no 6G

A corrida para dominar o desenvolvimento do 6G tem todos, da China e dos EUA à Coreia do Sul, Europa e Índia, implementando planos avançados. 

As empresas também estão colaborando para acelerar seu desenvolvimento. A Samsung Electronics parceirou com a maior operadora móvel do Japão, NTT Docomo, para “acelerar a inovação impulsionada por IA na indústria de telecomunicações”, o que também realizará comunicações futuras como o 6G. A SoftBank Corp assinou um MoU com a Nokia para o desenvolvimento de um sistema de comunicação que aproveita IA para a tecnologia 6G. Enquanto isso, a Apple está expandindo sua equipe para aprofundar-se no domínio do 6G.

Então, enquanto todos embarcam no trem do 6G, vamos dar uma olhada em algumas das principais empresas de capital aberto que podem ganhar muito com esse avanço.

1. Qualcomm Inc. (QCOM )

Esse gigante de semicondutores já está envolvido no fornecimento de modems 5G e continua a investir em manter sua liderança. A Qualcomm fornece regularmente sua visão para o 6G e tem trabalhado em soluções avançadas de semicondutores e padrões sem fio para impulsionar a infraestrutura e os dispositivos para o mesmo.

No mês passado, a empresa observou que o 6G está posicionado para atender aos desafios da disponibilidade ampliada de espectro e maior eficiência em seu uso. Também pretende desbloquear oportunidades em bandas de espectro baixas, médias e altas, onde aumentará a cobertura e a capacidade e permitirá aplicações de alto desempenho como IA generativa e XR imersivo.

O objetivo da Qualcomm é impulsionar inovações que abram caminho para um novo espectro enquanto melhoram a eficiência operacional das bandas existentes. 

Para se preparar para a era do 6G que se aproxima, a Qualcomm tem trabalhado com reguladores de espectro, operadoras móveis, OEMs e academia. Em particular, tem preparado a banda média superior (faixa de 7 GHz a 16 GHz) para o 6G.

Chamado ‘Giga-MIMO’, a tecnologia vem com uma matriz de antenas muito mais densa na estação base e um design de baseband e frequência de rádio (RF) de dispositivo mais complexo. A Qualcomm também introduziu sua rede de teste 5G mmWave expandida, que também será um habilitador fundamental para comunicações e detecção integradas.

O 6G continuará a construir sobre a base da interface aérea e a rede integrada terrestre/não terrestre (TN/NTN), disse John Smee, Chefe Global de Pesquisa Wireless na Qualcomm, em uma entrevista. Quanto à transição do 5G para o 6G, ele espera que ela melhore significativamente a conectividade sem fio enquanto habilita novos serviços como IA, detecção e gêmeos digitais. 

Falando especificamente sobre IA, Smee observou que ela está pronta para melhorar não apenas o 5G, mas também o desempenho do sistema 6G, a eficiência operacional e as experiências dos usuários, ao mesmo tempo em que desbloqueia novos casos de uso em escala. O paradigma nativo de IA, segundo ele, pode trazer mais inovação para dispositivos e redes.

Agora, quando se trata das finanças da Qualcomm, as ações da empresa com capitalização de mercado de $190,24 bilhões, ao momento da escrita, estavam sendo negociadas a $174. As ações da empresa subiram 12,04% no ano. Seu EPS (TTM) é 8,95 e seu índice P/E (TTM) é 19,24. Ela também paga um rendimento de dividendos de 1,98%. 

Para seu último trimestre relatado que terminou em setembro de 2024, a empresa teve uma receita non-GAAP de $10,2 bilhões, enquanto seu lucro por ação non-GAAP foi $2,69, com crescimento anual do EPS superior a 30%. A Qualcomm também pagou $2,2 bilhões em retornos aos acionistas, que incluíram $1,3 bilhões em recompra de ações e $947 milhões em dividendos. O fluxo de caixa livre para o ano fiscal de 2024 foi reportado em $11,2 bilhões.

A empresa também tem feito progressos significativos em sua estratégia de diversificação, o que lhe permitiu produzir chips para PCs, carros e máquinas.

“Continuaremos a transformar a Qualcomm de uma empresa de comunicações sem fio em uma empresa de computação conectada para a era da IA.”

– CEO Cristiano Amon na época

2. Verizon Communications (VZ )

Em 2020, o CTO desse provedor de telecomunicações disse que ele “não sabe o que diabos é o 6G”, e seu foco permanece em aprimorar o 5G. A empresa, no entanto, juntou-se notavelmente a outros líderes da indústria sem fio para formar a Next G Alliance.

Verizon, juntamente com Qualcomm, Samsung, AT&T, Apple, Google, Ericsson, Microsoft, Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital, JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T-Mobile e US Cellular, se uniram para formar a Aliança. A Aliança tem como objetivo desenvolver um roteiro nacional para o 6G, alinhar as prioridades das partes interessadas para políticas governamentais e financiamento, e identificar estratégias para acelerar a adoção da tecnologia 6G em diversos setores.

Quando se trata das finanças da Verizon, as ações da empresa com capitalização de mercado de $166,45 bilhões, ao momento da escrita, estavam sendo negociadas a $40,10. As ações da empresa caíram 1,13% no ano. Seu EPS (TTM) é 4,15 e seu índice P/E (TTM) é 9,54. A Verizon paga um rendimento de dividendos de até 6,85%.

Para o 4T de 2024, a Verizon relatou o que chama de receita de serviço sem fio “líder na indústria” de $20 bilhões. Sua receita operacional total foi de $35,7 bilhões, e o lucro líquido consolidado foi de $5,1 bilhões. A dívida total não garantida da empresa foi de $117,9 bilhões. 

O 4T foi na verdade o melhor trimestre para a Verizon em cinco anos em termos de crescimento de assinantes sem fio, impulsionado pelos planos personalizáveis myPlan e promoções da Black Friday. A empresa também adicionou quase 1 milhão de assinantes pós‑pagos de telefonia móvel e banda larga, o melhor resultado trimestral em mais de uma década. Seus assinantes de wireless fixo, por sua vez, estavam em quase 4,6 milhões. A empresa também lançou o Verizon AI Connect, que capitaliza o boom da IA permitindo que empresas gerenciem suas cargas de trabalho de IA em escala.

Conclusão

Depois de focar na comunicação humano‑a‑humano nas gerações anteriores de tecnologia e então criar uma mudança fundamental no consumo de dados, o foco agora está em conectar o IoT e sistemas de automação. Mas com o 6G, os mundos humano e digital serão mesclados perfeitamente para experiências aprimoradas.

Os avanços tecnológicos, a crescente digitalização, casos de uso avançados e a entrega de desempenho extremo estão prontos para impulsionar o mercado de 6G. Com suas velocidades ultra‑rápidas, baixa latência e conectividade global, a tecnologia 6G alimentará o novo futuro por meio de carros autônomos, cidades inteligentes e realidade virtual. 

Espera‑se que esta nova geração de tecnologia sem fio molde a economia e a sociedade quando for lançada no início da década de 2030. No entanto, há barreiras em termos de alto custo inicial, disponibilidade limitada de espectro e desafios de padronização que precisam ser superados primeiro.

Pesquisas, como a discutida aqui, desempenham um papel crucial em tornar essa tecnologia uma realidade. Elas demonstram o valor do grafeno para viabilizar a comunicação em frequência terahertz (THz), que é fundamental para as futuras capacidades do 6G. Portanto, com a pesquisa em andamento, governos introduzindo iniciativas e empresas colaborando, já começamos a avançar rumo à sexta geração de tecnologia sem fio que promete um futuro mais conectado e inovador!

Limpar o grafeno é fundamental para sua comercialização.

Referência do Estudo:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Estratégias para melhorar a geração de harmônicos THz combinando arquiteturas multicamadas, com portões, e baseadas em metamateriais. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}