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El Quantum Systems Accelerator (QSA) reúne una amplia gama de investigadores de 15 instituciones, muchos de los cuales han sido pioneros en la ciencia de la información cuántica (QIS por sus siglas en inglés), y las tecnologías cuánticas. QSA es un Centro Nacional de Investigación de QIS financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. En celebración del Mes de la Herencia Hispana en los EE. UU., cinco investigadores afiliados a QSA compartieron lo que primero despertó su interés en la física cuántica. Todos enfatizaron la importancia de estar atentos a las pequeñas chispas de curiosidad, que pueden provenir de las fuentes de inspiración más improbables: una conferencia universitaria, un encuentro con un profesor o el pasaje en un libro.

Ana María Rey, una física teórica de renombre mundial originaria de Bogotá, Colombia. Ha construido su destacada carrera científica durante más de dos décadas. La investigación de Rey en física atómica, molecular y óptica (AMO) ha contribuido, por ejemplo, al desarrollo del reloj atómico más preciso del mundo mientras que continúa avanzando las técnicas para controlar sistemas cuánticos de formas novedosas y aplicándolas a simulaciones cuánticas, información y metrología. La prominencia de Rey en traspasar los límites de la física teórica ha llevado a ser reconocida con prestigiosos premios como la Beca MacArthur y el Premio Presidencial a la Carrera Temprana en 2013. Adicionalmente, Rey es la primera mujer hispana en ganar el Premio Nacional Blavatnik para Jóvenes Científicos en 2019.

Rey recordó cómo las fórmulas matemáticas para representar el mundo físico en las escalas más pequeñas la cautivaron. Sin embargo, encontró una fuente poco probable de resistencia en sus inicios, su familia.

“Mi fascinación por la física comenzó desde el colegio en Colombia gracias a un profesor de física que promovía mi interés inicial. Sin embargo, fue difícil optar por una carrera de física en la universidad porque mis papás se oponían pues aparte de laborar como profesor, existían pocas oportunidades profesionales en ese momento para el campo,” dijo Rey.

A pesar de la oposición de sus familiares, Rey se especializó en física en la Universidad de Los Andes en la óptica no lineal y la relatividad general. Más tarde, aplicó para un doctorado en la Universidad de Maryland con una idea clara sobre lo que quería especializarse, pero tuvo un momento decisivo que cambió su dirección.

“Quería continuar estudiando óptica no lineal, pues en ese momento la física atómica que hacemos ahora no era tan popular, estaba simplemente comenzando. Cuando me aceptaron al programa de doctorado, lo que me ofrecieron fue una beca para estudiar ecuaciones no lineales en plasma que era lo más parecido a la óptica no lineal. Sin embargo, al principio de mis estudios, me impactó una charla de William D. (Bill) Phillips, Premio Nobel en Física, en la cual explicó como manipulaba átomos fríos con láseres. En ese momento pude definir lo que quería hacer y el eje de mi carrera a futuro,” comentó Rey.

Su trabajo ha sido ampliamente citado en la literatura científica. Rey mantiene que existen técnicas que son transferibles a través de las diferentes tecnologías cuánticas.

Ella explicó,

“Los conceptos para modelar un sistema pueden ser aplicados de una manera global en diferentes disciplinas, o bien establecer una sinergia entre las teorías que pueden conectar experimentos que son completamente diferentes. Por ejemplo, a pesar de que se está hablando del mismo Hamiltoniano, el lenguaje que uno utiliza de una tecnología a la otra es diferente. Esta barrera de del lenguaje muchas veces se logra disminuir simplemente colaborando y estudiando los sistemas y las técnicas matemáticas para conectar diferentes regímenes y unificar diferentes formas de explicar cierto comportamiento.”

De Buenos Aires, Argentina, Pablo Poggi es físico teórico especializado en métodos de control cuántico para contrarrestar el ruido, los efectos ambientales y los errores en dispositivos cuánticos y sistemas atómicos. Poggi estudia los puntos en común que comparten las diferentes plataformas cuánticas, y desarrolla modelos teóricos unificados para construir y comparar dispositivos cuánticos.

Un maestro de física de secundaria fue fundamental para que Poggi estudiara las teorías de la relatividad y la mecánica cuántica. Fomentando su amor por las matemáticas y su conexión con la física desde temprana edad, Poggi completó su licenciatura y doctorado en la Universidad de Buenos Aires, una de las universidades públicas de investigación más grandes y destacadas de América Latina.

“Latinoamérica tiene una tradición académica muy fuerte e importante. Estuve muy expuesto la ciencia de física cuántica de punta en mi universidad porque había muchos grupos que trabajaban en esto. Sin embargo, hice mi doctorado de una manera un poco arriesgada porque no tenía contacto con algún grupo experimental. Y cuando tenía que tomar la decisión de definirme por una plataforma cuántica específica, decidí aprender un poco de todos los métodos generales y unificados que servirían para varias plataformas. Y eso me terminó resultando muy útil en mi trabajo en EE.UU,” dijo Poggi.

Poggi se mudó a Estados Unidos. para trabajar primero como investigador postdoctoral en la Universidad de Nuevo México. Ha sido profesor asistente de investigación y colaborador de QSA desde 2020. Al notar la diferencia en el enfoque de problemas y experimentos en el ecosistema colaborativo de QSA, Poggi dijo:

“En la universidad, yo siempre estuve acostumbrado a trabajar solo o en grupos pequeños intentando conseguir resultados para armar una visión de lo que está haciendo y luego presentarlos en una conferencia o taller una vez al año. En cambio, con QSA, a partir de reuniones e intercambios frecuentes con otras instituciones, se habilitan microespacios de manera más rápida e inmediata ayudando a compartir los resultados frecuentemente. Así me actualizo con las preguntas más importantes en el campo.”

Sergio Cantú es físico experimental especializado en física atómica y óptica cuántica, originario de la ciudad de Brownsville, Texas cerca de la frontera con México. Durante sus estudios de doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Cantú fue becario de investigación de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF, por sus siglas en inglés). Como parte de su beca estudiantil, Cantú participó en investigaciones de QSA utilizando átomos de Rydberg alineados en una trampa óptica para estudiar cómo las interacciones de los fotones generan nuevos estados de luz para la informática cuántica. Ademas de continuar contribuyendo a los estudios de QSA en el MIT, Cantú también trabaja en QuEra Computing, un startup de computación cuántica en Boston que evolucionó a partir de la investigación de vanguardia en átomos neutros en el MIT y la Universidad de Harvard. Gracias a su trabajo inspirando a las nuevas generaciones de científicos en comunidades de minorías, el Mundo Boston nombró a Cantú como uno de los 30 lideres latinos menores de 30 años más influyentes.

Sobre su experiencia, Cantú explicó: “A mí lo que más me gusta de mi trabajo es cuando hago experimentos. Puedes hacer la teoría y las ecuaciones que tú quieras, pero los átomos, y en mi caso la luz, siempre te van a decir si estás bien o no. Los átomos son más más imparciales, y como son algo tan básico que vemos todos los días, para mí el entender esa dinámica siempre ha sido de lo más fascinante.”

Su pasión por estudiar los átomos y la luz utilizando las leyes de la mecánica cuántica se remonta a sus años en la Universidad de Texas en Brownsville. Cantú era uno de los pocos estudiantes en su comunidad que buscaba grados académicos en matemáticas y física.

“El trayecto fue un poco más o menos una apuesta. Me acuerdo cuando me aceptaron en un laboratorio de óptica en la universidad, donde yo trabajaba solamente láseres, pensaba esto es como magia. Conforme seguí estudiando, me llamaba mucho la atención la física cuántica,” dijo Cantú.

Cantú mencionó cómo la organización de QSA le ha permitido plantear preguntas rápidamente a otros expertos en diferentes áreas para considerar nuevos experimentos. Y al ser parte de la industria, Cantú también reconoce un punto de inflexión en el crecimiento del campo, donde los sistemas de ingeniería y la evaluación de la escalabilidad adquieren un mayor enfoque.

“Siento que los experimentos todavía se construyen al estilo Frankenstein y quizás un poco frágiles en los laboratorios académicos. Pero ya al diseñar experimentos y prototipos de hardware en industria, tienes que interactuar con vendedores, y considerar otros factores de producción,” observó Cantú.

Elmer Guardado-Sánchez es físico experimental de Monterrey, México. Le apasiona diseñar sistemas y tecnologías cuánticas para nuevos experimentos. Como investigador postdoctoral en Harvard, Guardado explora las diferentes formas de construir procesadores cuánticos mediante la integración de matrices de átomos Rydberg en pinzas ópticas con cavidades ópticas.

“Lo que más me emociona, cuando tengo un problema que no entiendo, es el momento en el que llego a entender por qué estamos midiendo lo que estamos viendo y por qué ocurre lo que está pasando. Es decir, construyo sistemas complejos, que por el simple hecho de su nivel de complejidad, van a tener diferentes efectos que a veces no son esperados,” dijo Guardado.

Guardado participaba frecuentemente en las olimpiadas de física del colegio en Monterrey. Siempre estuvo muy seguro de su interés en física, pero recordaba la frecuencia con la que le preguntaban cómo encontraría trabajo. La ciudad norteña es un eje importante industrial y de negocios, pero reconoció que no conocía muchos profesores que avanzaran la investigación experimental y contrataran estudiantes de colegio.

Guardado ganó reconocimientos nacionales e internacionales en estas competencias decidiendo completar su licenciatura en física en el MIT. Sin embargo, no ha sido un camino lineal hacia la informática cuántica para Guardado. En el MIT, comenzó estudiando átomos fríos, pero fue solo hasta en su programa de doctorado en la Universidad de Princeton, donde trabajo en experimentos de simulación cuántica cuando consideró trabajar en el campo tecnológico cuántico.

“Fue un poco de suerte de las cosas que me llamaron la atención y buscando con quien trabajar en los inicios de mi carrera. El cámpo cuántico es muy variado y abierto. Hay láseres, campos magnéticos, cámaras de vacío, y todo eso me gustó, por eso seguí creciendo dentro de este campo de la física,” dijo Guardado.

Guardado le interesa ver cómo la integración experimental de diferentes tecnologías cuánticas, como las que se estudian y desarrollan en QSA (iones atrapados, átomos neutros y circuitos superconductores) puede, en última instancia, habilitar sistemas más grandes al conectar diferentes plataformas en formatos modulares.

De Lima, Perú, Diego Barberena completa su doctorado en física estudiando principalmente la metrología cuántica en la Universidad de Colorado Boulder. Barberena se unió al grupo de investigación de Rey en JILA desde 2017, y le entusiasmó las posibilidades experimentales y teóricas de la investigación y desarollo de sistemas cuánticos a base de átomos fríos. Barberena colaboró con los investigadores en EE.UU en el desarrollo de un sensor cuántico compuesto por 150 iones de berilio con más de 10 veces la sensibilidad de cualquier sensor atómico demostrado anteriormente.

En retrospectiva, explicó Barberena,

“Desde el punto de vista teórico, tener estas colaboraciones experimentales ayuda bastante porque comenzamos a preocuparnos por problemas más supervisados y cercanos en el tiempo y que podemos investigar con las tecnologías cuánticas del momento. De igual manera, hay muchas ideas que los teóricos venimos trabajando que posiblemente mejoren los experimentos en el futuro.”

La trayectoria científica de Berberena es similar a otros en QSA pues su curiosidad lo llevó a explorar nuevas direcciones. Se interesó por primera vez en la física cuántica gracias a un profesor en la Universidad Católica del Perú. La exposición temprana de Barberena a experimentos con fotones y entrelazamiento cuántico en el laboratorio de su profesor lo motivó a encontrar conferencias y redes más amplias en América Latina que pudieran darle una idea de las preguntas de investigación en el campo a largo plazo.

“No fue un camino claro, porque no había una guía definida, y la experiencia que tengo es compartida con muchos de mis compañeros del exterior. Ha sido bastante aleatorio en realidad porque cuando estaba estudiando, creo que no había ni siquiera una noción establecida de un campo de investigación y desarrollo en el cual existen diferentes plataformas de investigación para la informática y simulación cuántica,” dijo Berberean.

Gracias al apoyo de un profesor peruano con experiencia en el campo, Barberena siguió adquiriendo más experiencia hasta que postuló al programa de doctorado en la Universidad de Colorado Boulder. Espera seguir teniendo un contacto constante con la comunidad cuántica más amplia a través de QSA, y por medio de las reuniones y conversaciones periódicas del centro, Barberena aprovecha informarse más rápido de las últimas novedades.

Estar abierto a las oportunidades permite nuevos rumbos

La investigación y el desarrollo cuántico de vanguardia de QSA prosperan en un ecosistema diverso con científicos e ingenieros de distintos orígenes y especialidades. Rey, Poggi, Cantú, Guardado y Barberena recordaron anécdotas cuando descubrieron las nuevas oportunidades en un campo de rápido crecimiento y que inicialmente no habían considerado. Estas chispas de curiosidad se convirtieron en momentos decisivos para el avance profesional, a pesar de las fuentes de resistencia. Como investigadores afiliados a QSA, son pioneros en los avances de la ciencia de la información cuántica, abriendo el camino para las aplicaciones científicas que beneficiarán al mundo.

QSA prioriza la diversidad, la representación y la inclusión en todos los niveles del centro para fomentar la innovación y cooperación.