Tras su doctorado se incorporó al JILA, uno de los centros de investigación más prestigiosos del mundo en física atómica, asociado a la Universidad de Colorado Boulder y al National Institute of Standards and Technology (NIST). Allí desarrolló modelos teóricos para comprender el comportamiento colectivo de átomos ultrafríos confinados mediante láseres y trampas magnéticas. Sus investigaciones abarcan los relojes atómicos ópticos, la simulación cuántica, la metrología cuántica, la información cuántica y los sistemas de muchos cuerpos. Sus trabajos han permitido comprender con mayor precisión las interacciones entre miles de átomos actuando como un único sistema cuántico, contribuyendo tanto a la física fundamental como al desarrollo de tecnologías de medición extraordinariamente precisas. Gracias a la influencia de sus investigaciones, Ana María Rey se encuentra entre las físicas teóricas más citadas de la actualidad.
Su trayectoria ha sido reconocida con numerosos premios internacionales. En 2013 recibió la Beca MacArthur, conocida popularmente como el "Genius Grant", uno de los reconocimientos más prestigiosos otorgados a investigadores por su creatividad e impacto científico. También ha recibido distinciones de la Sociedad Estadounidense de Física, la Fundación Sloan y otras instituciones internacionales. Además de su labor investigadora, participa activamente en la formación de nuevas generaciones de científicos y promueve la colaboración internacional en las ciencias cuánticas. Su trabajo continúa ampliando las fronteras de la física cuántica, consolidando a Ana María Rey como una de las investigadoras más influyentes del siglo XXI y una de las científicas latinoamericanas de mayor reconocimiento mundial.
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