En esta primera nota de una nueva serie de entrevistas, la recién recibida Doctora en Física Ana Laura Gramajo cuenta al Área de Comunicación del Instituto Balseiro de qué se trató la investigación de su doctorado. ¿Computación cuántica? ¿Qbits superconductores? Gramajo explica de qué se trata este campo, entre muchos otros temas.
Fecha de publicación: 26/05/2020
Oriunda de Orán, provincia de Salta, Ana Laura Gramajo, se acaba de recibir de Doctora en Física del Instituto Balseiro. Tiene 29 años y el tema de su tesis se vinculó con los “qbits superconductores” y la computación cuántica. Durante su doctorado, hizo una estadía de 7 meses en el mítico “MIT” (siglas de “Massachusetts Institute of Technology”). En tiempos de cuarentena debido a la pandemia de COVID-19, la defensa de su tesis fue un evento virtual. De hecho, fue la segunda vez en la historia del Balseiro que una defensa de tesis se realizó bajo esta modalidad.
¿De qué se trata el tema de tesis de Gramajo? El título parece inentendible para la mayoría de los mortales: “Interferometría Landau-Zener-Stückelberg en qbits superconductores: modelando sistemas de no equilibrio, entrelazamiento cuántico y simuladores cuánticos”. En esta nota, la ahora flamante Doctora explica con sus propias palabras de qué se trató su investigación. Como adelanto, lo que se puede decir es que este tema es de gran interés por su potencial aplicación en el desarrollo de súper computadoras, mucho más veloces y poderosas que las actuales.
Algunos detalles: la joven ingresó al Balseiro en 2011, y se graduó de Licenciada en Física en 2013. Los primeros dos años de la Licenciatura los había realizado en la Universidad Nacional de Salta, y luego rindió el examen para ingresar al Balseiro, donde estudió con beca completa de la CNEA. Se recibió de Magíster en Ciencias Físicas en 2014, también en este mismo instituto, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).
Su director de tesis de Doctorado fue Daniel Domínguez. El Doctor en Física es el vicedirector del Área Ciencias del Balseiro e investigador del CONICET en el grupo de Teoría de Materia Condensada de la Gerencia de Física en el Centro Atómico Bariloche. La defensa de la tesis, que se hizo vía zoom, fue vista por investigadores de Argentina y también de Boston (del MIT), Trieste (del ICTP) y Madrid .
En esta nota, Ana Laura Gramajo fue invitada a contar sobre su tema de tesis. Se trata de una serie de entrevistas sobre nuevos Doctores producidas por el Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro. Antes de pasar a las preguntas sobre la física de los qbits, se le consultó si podía mencionar sus tres hobbies favoritos. La Doctora en Física respondió que en su tiempo libre le gusta cocinar, caminar en las montañas y hacer acrobacia en telas.
-¿Podés contar de qué se trata tu tesis?
-A grandes rasgos, mi tesis se basó en el modelado de qubits superconductores para ser usados en computación cuántica. Alguien se preguntará: ¿Qué son los qubits?, ¿Supercondu… qué?, ¿Vos decís “computadoras cuánticas”?, ¿Está relacionado con “sanación cuántica”?. Bueno, primero contesto lo último: No, no mezclemos cosas. Ahora con las primeras preguntas. En la década del 80 se propuso la idea de usar sistemas cuánticos para realizar computación, nace así el concepto de computación cuántica, y consecuentemente la idea de qubit, cuyo nombre proviene de la abreviación de quantum bit en inglés, y corresponde “al análogo cuántico del bit”. Primero lo primero, el bit es la unidad básica de funcionamiento de una computadora clásica – la que la gran mayoría conoce, la de escritorio o laptop. La computadora procesa todo lo que hacemos en ella en términos de 0 y 1: los bits. Entonces, el qubit es algo así como primo-hermano cuántico del bit, y es la unidad básica de funcionamiento de las computadoras cuánticas. En vez de 0 y 1, ahora la computadora cuántica procesa 0 y 1 estados cuánticos. E incluso un qubit puede estar en una superposición cuántica de esos estados al mismo tiempo (¡el famoso gato de Shrödinger!), lo que no sucede con los bits. Alguien dirá ahora ¿Pero usaste mucho la palabra cuántica? ¿Qué es?
-¿Y qué es?
-Un sistema cuántico puede ser por ejemplo un átomo. Muchos saben o habrán escuchado que a escalas atómicas la física de las cosas es muy distinta a lo que vemos usualmente a escalas más grandes- descripta con la física clásica- y es ahí donde uno comienza hablar de física cuántica. No es lo mismo describir cómo va a ser el comportamiento de una pelota lanzada hacia arriba que describir cómo se comporta un átomo, sobre todo se vuelve complicado hablar de “trayectorias” en una sistema cuántico. Pero usar un átomo en una computadora puede resultar no del todo fácil. Es ahí donde surge la idea de usar qubits superconductores: básicamente consiste en usar materiales superconductores (a muy baja temperatura, algo así como 20 miliKelvin, cercano al cero absoluto) para fabricar dispositivos que actuarán como “átomos artificiales”.
-¿En tu investigación estudiaste estos sistemas súperconductores?
-Sí, estos sistemas son los que yo estudié tratando de modelarlos teóricamente: ver cómo se comportan frente a diversas condiciones físicas y como se podría controlar su estado cuántico. Sobre todo me centré en modelar situaciones experimentales, donde ahora la dinámica se complica: la vida real no es ideal y la dinámica de los qubits es afectada por diversos factores, desde el simple hecho de estar en contacto con circuitos eléctricos usados para controlarlos y medirlos, o simplemente porque la temperatura con la que se trabaja en el laboratorio no es lo suficientemente baja.
-Como parte de tu Doctorado viajaste al MIT, en los Estados Unidos. ¿Podés contar detalles de esa experiencia?
-Sí, en 2018 tuve la oportunidad de hacer una estadía de 7 meses en el MIT, en el grupo EQuS (Engineering Quantum Systems) de William Oliver. Fui a recibir un poco de “training” experimental y a la vez a colaborar con ellos con teoría y simulaciones. Fue una experiencia única. El grupo trabaja en experimentos usando qubits superconductores, y mi doctorado se basó en el modelado de esos sistemas, así que fue una experiencia bastante simbiótica y enriquecedora para mi tesis. Sin embargo, lo que más tendría para destacar de esta estadía es que me ayudó a tener más desenvoltura y confianza en el ámbito de la investigación. Es un grupo experimental, y yo venía acostumbrada hace tiempo a trabajar en un grupo teórico, y experimentar ese cambio de dinámica me ayudó muchísimo. Sobre todo la dinámica de trabajo de ese grupo es muy linda.
-¿Qué es lo que más te gustó de tu Doctorado?
-¡Son muchas cosas las que me gustaron! Pero si debo elegir algo es mi tema de tesis. Durante este tiempo aprendí muchísimo. Quizás para evitar ser tan ambiciosa debería decir que aprendí “un poco de varias cosas” dentro de mi área. En particular, mi tema de doctorado mezcla dos tópicos: sistemas mesoscópicos (por ejemplo, dispositivos superconductores) y computación cuántica, de allí surgen muchas preguntas más fundamentales de la física y me gustó muchísimo leer y aprender sobre estos temas. Me encanta la física, y el doctorado me permitió profundizar una pequeña parte de lo todo lo que es. Mi director es una persona que sabe muchísimo, y la verdad que tenerlo como mentor me ayudó a que mi tema de doctorado siempre me entretenga.
-¿Y qué fue lo que menos te gustó?
-Honestamente: la incertidumbre. Creo que es algo que está presente a lo largo de todo el camino del doctorado.
-¿Qué balance hacés de tu paso por el Balseiro?
-Mi paso por el Balseiro fue bastante largo (Licenciatura, maestría, y doctorado), casi 9 años. Después de todo estos años sólo puedo decir que el balance final fue positivo. Debo reconocer que aprendí muchísimo y conocí a muchísimas personas, docentes, investigadores y no investigadores, que de una u otra manera colaboraron en mi desarrollo personal. En cada etapa que transité en el IB aprendí siempre algo nuevo. Como estudiante de grado, destaco el privilegio que tuve de poder cursar materias con un ratio de docentes por alumnos bastante alto. Por otro lado, como estudiante de posgrado, debo reconocer que me voy teniendo un buen pantallazo de lo que es hacer investigación. Por último, destaco la oportunidad que tuve de poder estudiar en una institución pública, gratuita, y de calidad, con el extra de además tener una beca (tanto en grado como en posgrado), lo que me permitió poder abocarme de lleno en mi carrera durante todos estos años. Eso para mí es invaluable.
-¿Qué planes tenés ahora, a partir de tu egreso del Doctorado?
-Por el momento, continuar en la academia. Me salió un postdoc en el ICTP, Trieste, Italia. Pero veremos cómo avanza todo. La pandemia nos cambió (a todos) los planes a corto y largo plazo.
-¿Querés contar qué es lo que te apasiona de la física?
-¡Resolver problemas! Me encanta tener un problema, pensar cómo resolverlo, elaborar una estrategia, ejecutarla, y luego entender que es lo que obtuviste. Me gusta que existan muchas preguntas, la física trata de responderlas, y cuando se encuentra una forma de responderla, ya hay alguien que encontró otra forma de hacerlo.
-¿Qué consejo te darías a vos misma si pudieras hablar con tu versión del inicio de la carrera?
-El consejo que me daría a mí misma es: Animate a hablar y a compartir lo que hacés, tu trabajo vale. En muchos congresos no tuve la confianza suficiente de poder contar mi trabajo a otros alumnos/as e investigadores, y eso es algo de lo cual me hubiese gustado cambiar. Es más, la pasantía en el MIT, fue consecuencia de una presentación de mi póster en un congreso, donde me animé un poco a contar mi trabajo, y luego en ese mismo congreso William Oliver me invitó a hacer la pasantía. Yo no lo podía creer, es más tuvo que haber una segunda invitación un año más tarde para que me diga a mí misma: Bueno, es verdad, me invitó. Creo que como alumnos/as de doctorado tenemos que saber que nuestro trabajo vale, y animarnos a compartirlo.
-¿Querés agregar algo más?
-Sí. Primero, para los/las nuevos/as doctorandos: en mi experiencia, el doctorado tuvo muchas subidas y caídas. No quiere decir que vaya a ser así para todos, pero creo que es bueno aclararlo. Hay días en los que uno avanza muchísimo y otros que son la representación máxima posible de la frustración. Segundo, para los/las que aún están en el colegio: si les gusta estudiar algo relacionado con física y matemática, y lo ven difícil e imposible, les digo que yo también lo pensé, pero aun así me animé. Tercero, sé que ingeniería y física son carreras mayoritariamente pobladas de hombres. Sé que hay una gran brecha en tema de igualdad de género, pero un gran paso es animarse y estudiar una carrera sin pensar que existen carreras sólo para hombres o sólo para mujeres.
*Extra: Papers publicados durante su Doctorado:
1- Controlling entanglement in the interferometry of driven coupled flux qubits, A.L. Gramajo, D. Domínguez and M.J. Sánchez, Journal of Physics: Conference Series, Volume 969, conference 1 (2017).
2- Entanglement generation through the interplay of harmonic driving and interaction in coupled superconducting qubits, Gramajo A.L., Domínguez D. and Sánchez M.J., Eur. Phys. J. B 90, 255 (2017).
3- Amplitude tuning of steady-state entanglement in strongly driven coupled qubits, A.L. Gramajo, D. Domínguez and M.J. Sánchez, Phys. Rev. A 98, 042337 (2018).
4- Revealing the system-bath coupling via Landau-Zener-Stückelberg interferometry in superconducting qubits, A.L. Gramajo, D. Domínguez and M.J. Sánchez, Phys. Rev. B 100, 075410 (2019).
5- Quantum simulation of coherent backscattering in a system of superconducting qubits, A.L. Gramajo, D. Campbell, B. Kannan, D.K. Kim, A. Melville, B. Niedzielski, J.L. Yoder, D. Domínguez, M.J. Sánchez, S. Gustavsson, and W.D. Oliver, arXiv:1912.12488v2 (2019). Aceptado en Phys. Rev. Appl. (2020).
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Por Laura García Oviedo
Crédito fotos: Gentileza A. L. Gramajo.
Área de Comunicación Institucional del
Instituto Balseiro.
San Carlos de Bariloche, 26/05/2020
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