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Computación

El viaje lento y rápido de la computación cuántica

¿Puede una vieja empresa de investigación en física fundamental abrir una nueva era de ordenadores inimaginablemente potentes?

  • por Tom Simonite | traducido por Francisco Reyes
  • 14 Octubre, 2014

En 2012, varios físicos en los Países Bajos anunciaron un descubrimiento dentro de la física de las partículas que empezó a generar rumores sobre el Premio Nobel. Dentro de una pequeña varilla de cristal semiconductora enfriada a temperaturas inferiores a las del espacio exterior, pudieron ver por primera vez una extraña partícula conocida como el fermión de Majorana, con lo que finalmente se confirmó una predicción hecha en 1937.


Foto: El físico Michael Freedman dirige la Estación Q de Microsoft. Crédito: 'MIT Technology Review'

Aparentemente, el avance no tiene relación con las dificultades propias de vender software de productividad de oficina o competir con Amazon en computación en la nube, pero el por aquel entonces líder de estrategia e investigación de tecnología de Microsoft, Craig Mundie, estaba encantado. El complicado descubrimiento, suscrito en parte por Microsoft, fue crucial para un proyecto dentro de la empresa destinado a posibilitar la construcción de ordenadores muchísimo más potentes que gestionasen los datos utilizando física cuántica. "Fue un momento crucial", afirma Mundie. "Esta investigación nos estaba llevando hacia una forma construir uno de estos sistemas".

Microsoft lleva casi una década en el proyecto y ha comenzado a hablar públicamente sobre él. Si tiene éxito, el mundo podría cambiar radicalmente. Desde que el físico Richard Feynman sugirió por primera vez la idea de un ordenador cuántico en 1982, los teóricos han demostrado que una máquina de ese tipo podría resolver problemas que los ordenadores convencionales más rápidos tardarían cientos de millones de años o más en resolver. Por ejemplo, los ordenadores cuánticos podrían dar a los investigadores mejores herramientas para diseñar nuevos medicamentos o células solares altamente eficientes. Podrían revolucionar la inteligencia artificial.

El progreso hacia ese nirvana computacional ha sido lento porque nadie ha sido capaz de crear una versión lo suficientemente fiable del bloque básico de construcción de un ordenador cuántico, conocido como bit cuántico, o qubit, que utiliza efectos cuánticos para codificar los datos. Tanto investigadores académicos y gubernamentales, como los laboratorios corporativos de IBM y Hewlett-Packard, los han construido. Se han conectado varios qubits entre sí, y los dispositivos resultantes han ido mejorando. Pero nadie es capaz de controlar la física lo suficientemente bien para que estos qubits sirvan como base de un ordenador práctico de propósito general.

Microsoft todavía no ha construido su propio qubit. Pero siguiendo el tipo de paradoja que uno suele encontrarse en el campo de la física cuántica, la compañía podría estar más cerca que nadie de producir un ordenador cuántico práctico. La compañía está desarrollando un nuevo tipo de qubit, conocido como qubit topológico, basado en gran medida en el descubrimiento en los Países Bajos del año 2012. Hay buenas razones para creer que este diseño no se verá afectado por la falta de fiabilidad que sufren los qubits existentes. También será más adecuado para la producción en masa. "Lo que estamos haciendo es parecido a cuando se fabricó el primer transistor", señala el jefe de Investigación de Microsoft, Peter Lee. Su compañía también está trabajando para ver cómo diseñar y controlar los circuitos de un ordenador hecho con qubits topológicos. Además los investigadores de Microsoft dedicados a trabajar en algoritmos para ordenadores cuánticos han demostrado que una máquina compuesta de tan sólo unos cientos de qubits podría ejecutar simulaciones de química más allá de la capacidad de cualquier superordenador existente.

En el próximo año, unos laboratorios de física con el apoyo de Microsoft comenzarán a probar piezas cruciales de su diseño de qubit, siguiendo un plan desarrollado por un genio de las matemáticas. Si las pruebas salen bien, una corporación como Microsoft, que muchos creen que está atrapada en el pasado de la computación, podría desbloquear su futuro.

Más raro aún: un físico de los legendarios pero desaparecidos Laboratorios Bell podría ser el primero en conseguirlo.

Atado con nudos

En una soleada habitación a 90 metros del Océano Pacífico, el instigador y maestro técnico del proyecto de Microsoft, Michael Freedman, admite sentirse inferior. "Cuando empiezas a pensar en la computación cuántica, te das cuenta de que tú mismo eres una especie de torpe ordenador analógico químico", asegura. Freedman, de 63 años, es el director de la Estación Q, el grupo de investigación de Microsoft que lidera la iniciativa para crear un qubit topológico, y trabaja en una docena de oficinas en el campus de la Universidad de California en Santa Bárbara (EEUU). Está en forma y bronceado, y tiene polvo en los zapatos después de haber estado caminando por un sendero de playa durante el almuerzo.

Si su mente es un torpe ordenador químico, es un modelo extraordinario. Era un prodigio matemático cuando entró en la Universidad de Berkeley con 16 años y se graduó dos años más tarde. Con 30 años, Freedman resolvió una versión de uno de los problemas más antiguos en matemáticas, la conjetura de Poincaré. Lo solucionó sin tener que escribir nada, visualizando la distorsión de las formas cuatridimensionales en la cabeza. "Yo ya tenía la solución al problema visualizada en la cabeza", recuerda Freedman. Cuando tradujo esa visión interior en una prueba de 95 páginas, ganó la Medalla Fields, el honor más alto en matemáticas.

Esto cimentó la reputación de Freedman como uno de los focos principales en topología, la disciplina que estudia las propiedades de formas que no cambian cuando dichas formas se distorsionan. (Hay un viejo chiste que dice que los topólogos no pueden distinguir una taza de café de un donut, porque ambos son superficies perforadas por un solo agujero). Pero se vio interesado por la física en 1988 después de que un colega descubriera una conexión entre cierta parte de las matemáticas que describe la topología de los nudos y una teoría que explica ciertos fenómenos cuánticos. "Era algo hermoso", señala Freedman. Se dio cuenta inmediatamente de que esta conexión podría permitir que una máquina gobernada por la misma física cuántica resolviera problemas demasiado difíciles para los ordenadores convencionales. Sin saber que el concepto de computación cuántica ya existía, se reinventó a sí mismo independientemente.

Freedman siguió trabajando en esa idea, y en 1997 se unió al grupo de investigación de matemáticas teóricas de Microsoft. Poco después, se unió a un físico teórico ruso, Alexei Kitaev, que había demostrado que un "qubit topológico" formado por la misma física podría ser mucho más fiable que los qubits que otros grupos estaban construyendo. Finalmente Freedman empezó a sentir que estaba tras la pista de algo que iba más allá de su exclusivo mundo de matemáticas y física profundas. En 2004, se presentó en la oficina de Craig Mundie y le dijo que tenía en la cabeza una forma de construir un qubit lo suficientemente fiable como para usarlo a gran escala. "Terminé haciendo una especie de 'pitch'", asegura Freedman. "Daba la impresión de que si querías empezar a construir la tecnología, podías".

Mundie aceptó la idea. Aunque Microsoft no había estado intentando desarrollar ordenadores cuánticos, sabía de su notable potencial y la lentitud de los progresos logrados hacia su construcción. "Me cautivó de inmediato la idea de que tal vez existiera un enfoque completamente diferente", señala. "Esta forma de computación probablemente resultará ser la base de una transformación similar a la que provocó la computación clásica en el planeta durante los últimos 60 años". Estableció una iniciativa para crear un qubit topológico, y dio la dirección del proyecto a un ligeramente nervioso Freedman. "Nunca en mi vida había construido ni siquiera una radio de transistores", afirma Freedman.

Sueño distante

En cierto modo, un ordenador cuántico no sería tan distinto de uno convencional. Ambos gestionan los bits de datos representados de forma binaria. Y ambas máquinas se componen de unidades básicas que representan los bits cambiando entre distintos estados al igual que lo hace un interruptor. En un ordenador convencional, cada pequeño transistor en un chip puede apagarse para significar un 0 o encenderse para un 1. Pero con las peculiares normas de la física cuántica, que rigen el comportamiento de la materia y la energía a escalas muy pequeñas, los qubits pueden hacer cosas que los hacen sumamente potentes. Un qubit puede entrar en un estado cuántico conocido como superposición, que representa efectivamente un 0 y un 1 al mismo tiempo. Una vez que entran en un estado de superposición, los qubits pueden vincularse, o "entrelazarse", de manera que toda operación que afecte a uno cambie al instante el destino de otro. Gracias a la superposición y el entrelazamiento, una sola operación en un ordenador cuántico puede ejecutar partes de un cálculo que necesitaría muchas, muchísimas más operaciones con un número equivalente de bits ordinarios. Esencialmente, un ordenador cuántico puede explorar un enorme número de posibles vías de cómputo en paralelo. Para algunos tipos de problemas, la ventaja de un ordenador cuántico sobre uno convencional crece exponencialmente con la cantidad de datos a calcular. "Su potencia me sigue sorprendiendo", afirma el director ejecutivo del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo, en Ontario (Canadá), Raymond Laflamme. "Cambia las bases de la ciencia informática y lo que entendemos por computable".

Aproximadamente durante el próximo año los laboratorios de física apoyados por Microsoft comenzarán a probar su diseño de qubit.

No obstante, los estados cuánticos puros son muy frágiles y pueden ser observados y controlados sólo en circunstancias cuidadosamente diseñadas. Para que una superposición sea estable, el qubit debe estar protegido de ruido aparentemente trivial como el de los choques aleatorios de partículas subatómicas o campos eléctricos débiles de aparatos electrónicos cercanos. Las dos mejores tecnologías actuales de qubits representan bits usando las propiedades magnéticas de átomos cargados individuales atrapados en campos magnéticos, o la diminuta corriente dentro de circuitos de metal superconductor. Pueden conservar las superposiciones durante no más de una fracción de segundo antes de que se colapsen en un proceso conocido como decoherencia. El mayor número de qubits que han logrado funcionar en conjunto es de sólo siete.

Desde 2009, Google ha estado probando una máquina comercializada por la start-up D-Wave Systems como el primer ordenador cuántico comercial del mundo, y en 2013 compró una versión de la máquina con 512 qubits. Pero estos qubits están cableados a un circuito para un algoritmo particular, lo que limita la gama de problemas en los que pueden trabajar. Si logra tener éxito, este enfoque podría crear el equivalente en computación cuántica de un par de pinzas de punta, una herramienta útil pero apta para sólo algunas tareas. El enfoque convencional que sigue Microsoft ofrece un ordenador totalmente programable, algo equivalente a una caja de herramientas completa. Además, varios investigadores independientes no han logrado confirmar que la máquina de D-Wave funcione realmente como un ordenador cuántico. Recientemente Google ha creado su propio laboratorio de hardware para intentar crear una versión de la tecnología que ofrece.

La búsqueda de formas de luchar contra la decoherencia y los errores que introduce en los cálculos ha llegado a dominar el campo de la computación cuántica. Para que un qubit sea verdaderamente escalable, probablemente sería necesario que sufriera decoherencias accidentales sólo alrededor de una vez por cada millón de operaciones, según afirma el profesor de la Universidad de Maryland (EEUU) y colíder de un proyecto de computación cuántica financiado por el Departamento de Defensa y la Actividad de Proyectos Avanzados de Investigación de Inteligencia (EEUU), Chris Monroe. Hoy día los mejores qubits normalmente sufren decoherencias con una frecuencia miles de veces mayor.

La Estación Q de Microsoft podría crear un método mejor. Los estados cuánticos que atrajeron a Freedman hacia la física, que se producen cuando los electrones se encuentran atrapados en un plano dentro de ciertos materiales, deberían proporcionar la estabilidad que anhelan los constructores de qubits ya que son naturalmente sordos ante gran parte del ruido que desestabiliza a los qubits convencionales. Dentro de estos materiales, los electrones adquieren extrañas propiedades a temperaturas cercanas al cero absoluto, formando lo que se conoce como líquidos de electrones. Las propiedades cuánticas colectivas de los líquidos de electrones se pueden utilizar para significar un bit. La elegancia del diseño, junto con donaciones de dinero, equipamiento y tiempo de cálculo, ha llevado a algunos de los principales investigadores mundiales dentro de la física a colaborar con Microsoft. (La compañía no hace público qué fracción de su gasto en I+D anual, valorado en 11.000 millones de dólares -8.700 millones de euros- se destina al proyecto).

El problema es que las leyes físicas no se han comprobado. Para utilizar como bits las propiedades cuánticas de los líquidos de electrones, los investigadores tendrían que manipular ciertas partículas dentro de ellos, conocidas como anyons no abelianas, para que giren alrededor unas de otras. Y aunque los físicos creen que las anyons no abelianas existen, ninguna ha sido detectada de forma concluyente.

Las partículas de Majorana, el tipo de anyons no abelianas que buscan la Estación Q y sus colaboradores, son particularmente elusivas. El primero que las predijo fue el físico italiano Ettore Majorana en 1937, poco antes de desaparecer misteriosamente. Han cautivado a los físicos durante décadas puesto que tienen la propiedad única de ser sus propias antipartículas, por lo que si dos de ellas se encuentran se aniquilan entre sí en un destello de energía.

Nadie había reportado evidencia creíble de su existencia hasta 2012, cuando Leo Kouwenhoven en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, que había conseguido financiación y guía de Microsoft, anunció que las había encontrado dentro de nanocables hechos con antimonio de indio, un semiconductor. Logró que el tipo correcto de líquido de electrones cobrara existencia mediante la conexión del nanocable a un trozo de electrodo superconductor en un extremo y otro normal en el otro. Este método supuso el apoyo más fuerte al diseño de Microsoft hasta la fecha. "Tras el hallazgo tenemos mucha confianza en que realmente estamos tras la pista de algo importante", afirma Lee desde Microsoft. En la actualidad, el grupo de Kouwenhoven y otros laboratorios están tratando de afinar los resultados del experimento y mostrar que las partículas pueden ser manipuladas. Para acelerar el progreso y sentar las bases de una posible producción en masa, Microsoft ha comenzado a trabajar con empresas industriales para asegurar el suministro de nanocables semiconductores y los componentes electrónicos superconductores necesarios para controlar un qubit topológico.

Pese a todo eso, Microsoft aún no ha conseguido su qubit. Hay que encontrar una forma de hacer que las partículas de Majorana se muevan unas alrededor de las otras, una operación necesaria para escribir el equivalente a 0 y 1. Los científicos de los materiales del Instituto Niels Bohr en Copenhague han encontrado recientemente una forma de construir nanocables con ramas laterales, lo que podría permitir que una partícula se instalara en un lateral mientras que otra partícula pasa cerca de ella. Uno de los investigadores que han trabajado con Microsoft desde el primer diseño, Charlie Marcus, se está preparando para construir un sistema que funcione con los nuevos cables. "Yo diría que nos va a mantener ocupados el próximo año", señala.

El éxito validaría el diseño de qubit de Microsoft y pondría fin a los recientes comentarios sobre que Kouwenhoven podría no haber detectado la partícula de Majorana en 2012 después de todo. Sin embargo el profesor de física teórica de Caltech (EEUU), John Preskill, afirma que el qubit topológico no sigue siendo más que una buena teoría. "Me gusta mucho la idea, pero después de algunos años de esfuerzo serio todavía no existen pruebas en firme", señala.

Física competitiva

En los Laboratorios Bell de Nueva Jersey (EEUU), Bob Willett afirma que ha visto pruebas. Mira por encima de las gafas a un simple rectángulo negro de cristal del tamaño de la punta de un dedo. Tiene cables soldados a mano alrededor de los bordes y delgados zigzags de aluminio en la superficie. En el centro del chip, en un área de menos de un micrómetro de diámetro, Willett informa haber detectado anyons no abelianas. Si tiene razón, Willett habría avanzado más que cualquier otra de las personas que trabajan en Microsoft. En su serie de pequeños laboratorios está preparándose para construir lo que, si funciona, será el primer qubit topológico del mundo. "Actualmente estamos transitando desde la ciencia a la tecnología", asegura. Su esfuerzo tiene ecos históricos. Al final de un pasillo en sus laboratorios hay una vitrina de cristal con el primer transistor, fabricado en ese mismo sitio en 1947.

El dispositivo de Willett es una versión de un diseño que Microsoft había prácticamente abandonado. Cuando comenzó el proyecto de la compañía, Freedman y sus colaboradores ya habían determinado que debería ser posible construir un qubit topológico utilizando cristales de arseniuro de galio ultrapuro para atrapar electrones. Pero tras cuatro años de experimentos, los laboratorios de física apoyados por Microsoft no encontraron pruebas concluyentes de anyons no abelianas. Willett había trabajado en conceptos físicos similares durante años, y después de leer un artículo de Freedman acerca del diseño, decidió probar él mismo. En una serie de artículos publicados entre 2009 y 2013, informó sobre el hallazgo de estas cruciales partículas en sus propios dispositivos basados en cristal. Cuando un cristal se enfría con helio líquido a menos de 1 Kelvin (-272,15 °C) y se somete a un campo magnético, se forma un líquido de electrones en su centro. Willett utiliza electrodos para hacer fluir las partículas alrededor del borde; si se trata de anyons no abelianas girando alrededor de sus contrapartes en el centro, deberían cambiar el estado topológico del líquido de electrones en su conjunto. Ha publicado los resultados de varios experimentos distintos en los que observó movimientos giratorios delatores en la corriente de esas partículas en movimiento, tal y como habían predicho los teóricos. Ahora ha pasado a construir un diseño de qubit. No es mucho más complejo que su primer experimento: sólo dos de los mismos circuitos colocados uno junto al otro en el mismo cristal, con electrodos adicionales para enlazar líquidos de electrones y codificar y leer estados cuánticos que representan el equivalente a 0 y 1.

Willett espera que este dispositivo calme el escepticismo sobre sus resultados, que nadie más ha sido capaz de replicar. El colaborador de Microsoft Charlie Marcus afirma que Willett "ha visto señales que nosotros no vimos". Willett responde que Marcus y otros han hecho sus dispositivos demasiado grandes y han utilizado cristales con diferencias importantes en sus propiedades. Afirma haberlo confirmado recientemente al probar algunos dispositivos hechos con las especificaciones utilizadas por otros investigadores. "Después de haber trabajado con los materiales con los que ellos están trabajando, entiendo por qué dejaron de hacerlo, porque es un incordio", asegura.


Foto: Uno de los cristales en los que Willett afirma haber detectado los qbits topológicos. Crédito: 'MIT Technology Review'

Los Laboratorios Bell, ahora propiedad de la empresa francesa de telecomunicaciones Alcatel-Lucent y que son más pequeños y pobres de lo que eran cuando AT&T era el indiscutible monopolio telefónico estadounidense, permiten a muchos de sus investigadores hacer casi todo lo que quieren. Algunas de las habitaciones de Willett tienen vistas a una zona polvorienta y derruida después de que se demoliera un ala entera del laboratorio este año. Pero hay menos gente en los laboratorios de la que había hace tiempo, así que es más fácil tener acceso a los equipos que necesita, señala. Además Alcatel ha comenzado a invertir más en su proyecto. Willett solía trabajar con sólo tres físicos, pero recientemente también ha empezado a colaborar con matemáticos y expertos en óptica. La directiva de los Laboratorios Bell ha estado indagando sobre qué tipo de problemas podrían resolverse con un pequeño número de qubits. "Se está expandiendo hacia una iniciativa relativamente grande", señala.

Willett se ve a sí mismo como un colega académico de los investigadores de Microsoft en lugar de como un competidor corporativo, y aún le invitan a los simposios bianuales de Freedman en Santa Bárbara (EEUU), a los que asisten colaboradores de Microsoft y otros físicos. Sin embargo la directiva de Microsoft ha sido más evidente en las últimas reuniones, según Willett, y a veces ha sentido que ser de otra corporación le ha dificultado las cosas.

Sería aún más extraño si Willett venciera a Microsoft y probara que la idea que ha defendido puede funcionar. Sería sorprendente que Microsoft abriera una vía práctica para la computación cuántica. En el caso de los marchitos Laboratorios Bell, propiedad de una empresa que ni siquiera se dedica al negocio de la computación, sería asombroso.

Código cuántico

En el frondoso campus de Microsoft en Redmond, Washington (EEUU), miles de ingenieros de software trabajan duro para corregir errores y agregar características a Windows y Microsoft Office. Los turistas posan en el museo de la empresa junto a recortes de fotos a tamaño natural de Bill Gates y sus primeros empleados en 1978. En el edificio principal de la investigación, Krysta Svore dirige a una docena de personas que trabajan en software para ordenadores que quizá no lleguen a existir. El equipo intenta averiguar qué podría hacer por nosotros la primera generación de ordenadores cuánticos.

El grupo se estableció porque aunque los ordenadores cuánticos podrían ser muy potentes, no pueden resolver todos los problemas. Y se han desarrollado muy pocos algoritmos cuánticos con suficiente detalle como para sugerir que pudieran ser prácticos en hardware real. "La computación cuántica es posiblemente muy disruptiva, pero tenemos que entender dónde está su potencia", afirma Svore.

"Creemos que existe una oportunidad para hacer algo que pudiera ser la base de una economía completamente nueva".

Los ordenadores cuánticos nunca te cabrán en el bolsillo porque los qubits tienen que ser súper refrigerados (a menos, claro, que alguien utilice un ordenador cuántico para diseñar un qubit mejor). En su lugar, se usarán como centros de datos o superordenadores para hacer funcionar servicios en internet, o para resolver problemas que permitan mejorar otras tecnologías. Una idea prometedora es usar ordenadores cuánticos para simulaciones de química con súper cálculos, que podrían acelerar el progreso en áreas como la salud o la energía. Un ordenador cuántico podría simular la realidad con tal precisión que podría reemplazar años de perseverante trabajo de laboratorio, afirma Svore. Hoy día aproximadamente un tercio del tiempo de súper computación en EEUU está dedicado a simulaciones de química o de ciencia de los materiales, según el Departamento de Energía de EEUU. El grupo de Svore ha desarrollado un algoritmo que permitiría incluso a un ordenador cuántico de primera generación afrontar problemas mucho más complejos, como probar de forma virtual un catalizador para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, en sólo unas horas o minutos. "Esa es una aplicación para ordenadores cuánticos que en potencia podría tener un éxito arrollador", afirma.

Pero es posible imaginar un sinfín de aplicaciones arrolladoras. El grupo de Svore ha producido algunas de las primeras pruebas de que los ordenadores cuánticos podrían ser utilizados para el aprendizaje de máquinas, una tecnología cada vez más importante para Microsoft y sus rivales. Los recientes avances en el reconocimiento de imágenes y voz han provocado un frenesí de nuevas investigaciones en inteligencia artificial. Pero dependen de grupos de miles de ordenadores que trabajan juntos, y los resultados aún están muy por detrás de las capacidades humanas. Los ordenadores cuánticos podrían superar las limitaciones de la tecnología.

Trabajos como estos ayudan a explicar cómo la primera compañía que construya un ordenador cuántico podría obtener una ventaja prácticamente sin precedentes en la historia de la tecnología. "Creemos que existe una oportunidad para hacer algo que pudiera ser la base de una economía completamente nueva", señala Peter Lee desde Microsoft. Como sería de esperar, él y el resto de los que trabajan en el hardware cuántico dicen ser optimistas. Pero hay mucho por hacer todavía, y la recompensa se siente tan distante como de costumbre. Es como si la tecnología de los qubits estuviera en una superposición entre cambiar el mundo y entrar en un estado de decoherencia en el que acabase siendo sólo una serie de oscuros trabajos de investigación. Ese es el tipo de imponderable que los que trabajan en la tecnología cuántica tienen que manejar todos los días. Pero con una recompensa potencial tan grande, ¿quién puede culparlos por intentarlo?

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