Квантовые компьютеры и финансовый сектор

В ближайшие годы квантовые компьютеры могут кардинально изменить мир финансовых услуг. Квантовые технологии позволяют производить вычисления с огромной скоростью и открывают новые возможности в области криптографии и передачи информации. С их помощью можно будет с невероятной точностью моделировать сложные природные процессы и определять наиболее вероятные тенденции развития будущего, что невозможно сделать с использованием сегодняшних методологий.

Квантовые компьютеры окажут колоссальное влияние на существующую банковскую систему, поэтому в первую очередь выиграют те финансовые организации, которые смогут стать пионерами нового этапа компьютеризации и использования искусственного интеллекта. Именно им удастся занять лидирующие позиции на рынке, значительно опередив конкурентов за счет резкого сокращения операционных расходов.

Их использование сократит издержки на проведение трансакций, снизит риск финансовых операций и будет способствовать более полному удовлетворению нужд клиентов.

Разница между классическим и квантовым компьютером

В классических компьютерах используется двоичная система представления данных, а в качестве единицы измерения количества информации используется бит. Он принимает только два значения – 0 (ноль) или 1 (единица). Для обработки битов применяются логические вентили, базовые элементы цифровой схемы, преобразующие входные сигналы на выходные. Чаще всего логическими вентилями являются полевые транзисторы, из множества которых состоят интегральные микросхемы.

Как правило, единица соответствует подаче тока, а ноль – его отсутствию. С помощью этого удается выполнять различные логические операции, например, конъюнкцию, дизъюнкцию или отрицание.

Работая с единицами и нолями, логические элементы генерируют последовательность битов как единиц или нолей на выходе. Их можно использовать для новых входов для вычислений. Расчеты выполняются на основе программы, использующей определенный алгоритм для решения заданной задачи.

Работа квантовых компьютеров не строится на использовании битов. Наименьшая используемая в них единица информации называется кубитом.

В отличие от двоичной системы кубит имеет не только два состояния, но и суперпозицию их волновых функций (нечто, находящееся между ними). Квантовая суперпозиция дает бесконечное множество состояний, а для их описания используются комплексные числа.

В конкретный момент времени можно измерить только одно состояние кубита, при этом он сам согласно принципам квантовой механики необратимо разрушается. В очень упрощенной форме можно сказать, что функцию кубитов могут выполнять ядра атомов, электроны, фотоны, ионы и многие другие элементарные частицы.

На сегодняшний день самыми перспективными в создании квантовых компьютеров считаются технологии, основанные на сверхпроводящих и оптических элементах

Экспоненциальное увеличение мощности

Кубит способен хранить и переносить гораздо большее количество информации, чем двоичный бит, поэтому его эффективность во много раз выше. При расчетах он будет охватывать одновременно весь спектр промежуточных состояний.

Из-за вероятностного характера расчета единственный его результат будет неопределенным. По этой причине при решении любой задачи квантовый компьютер выполняет целую серию расчетов, и только их среднее значение определит правильный результат. В отличие от обычного компьютера он способен на основе кубитов выполнять множество вычислений параллельно.

Взаимодействие двух кубитов одного происхождения приводит к явлению, которое называется квантовой запутанностью.

Они способны взаимодействовать друг с другом независимо от расстояния между ними. Взаимодействие происходит со скоростью в тысячи раз большей, нежели скорость света.

С каждым дополнительным кубитом запутанность возрастает по экспоненциальной зависимости. На нынешних экспериментальных образцах она как минимум удваивается. Следовательно, и вычислительная мощность квантового компьютера возрастает в таком же объеме.

Главной проблемой является чувствительность кубитов к неконтролируемому влиянию внешней среды, что приводит их к выходу из запутанности, называемому декогерентностью квантовой системы. Если только лишь один квант перешел в другое состояние, то такой переход произойдет и во всех запутанных с ним частицах.

Сейчас ведутся интенсивные разработки процессоров, максимально устойчивых к декогерентности. Именно она является самой существенной проблемой при создании квантовых алгоритмов.

Два типа квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры условно делятся на два основных типа. Первый тип работает на квантовых вентилях и принципах, которые почти идентичны к используемых в обычных процессорах.

Второй тип представлен когерентными компьютерами. Они способны поддерживать когерентность в течение всего времени вычислений, что значительно повышает их мощность.

Существует множество различных стратегий реализации кубитов. По их количеству рекордсменом на сегодняшний день является Google. Этой компании удалось создать квантовый процессор на 72 кубита.

Основными разработчиками квантовых процессоров общего назначения стали Alibaba, IBM, Google и Rigetti (сверхпроводящие кубиты), IonQ (кубиты с захваченными ионами), Xanadu (фотонный квантовый компьютер) и Microsoft (топологические кубиты).

Многие задачи в финансах сводятся к поиску оптимальных методов в принятии решений оптимизации.

Из-за их вероятностного характера они представляют серьезную проблему для классических компьютеров, но отлично решаются методами квантовой оптимизации. В частности для поиска глобальных минимумов используется квантовая нормализация, когда решение находится случайным образом по всему исследуемому пространству. Ее называют также квантовым отжигом, и она считается на текущий момент для квантовых компьютеров второго типа.

Некоторые экспериментальные устройства для квантового отжига уже представлены на рынке. Самым мощным признан процессор D-Wave, содержащий более 5 тысяч сверхпроводящих кубитов. Решение задач оптимизации в случае квантовых отжигов не требует создание схем, в которых используются квантовые вентили. В идеальных условиях они сравнимы по мощности с теми, которые созданы на основе квантовой цепи.

Потребность в новых алгоритмах шифрования

Если бы все классические компьютеры работали вместе, чтобы взломать ключ шифрования, защищающий банковский счет, это заняло бы около 14 миллиардов лет. Между тем теоретически доказано, что квантовый компьютер сможет сделать это за 5-10 минут.

Использование квантовых вычислений неизбежно заставит банки изменить всю архитектуру цифровой безопасности. После появления доступных и устойчивых к декогеренции квантовых компьютеров, возникнет риск взлома различных баз данных.

Неудивительно, что такие банковские монстры как JP Morgan, Wells Fargo, Barclays, Mitsubishi Financial Group, Citigroup, Goldman Sachs и Caixa Bank инвестируют огромные суммы в развитии квантовых вычислений.

Искусственный интеллект

Из-за огромной волатильности рынков мы склонны думать об инвестиционных портфелях как о случайных системах. Квантовые компьютеры в состоянии имитировать совершенную случайность, существующую в нашем мире. Классические компьютеры вынуждены использовать генераторы случайных чисел, создающие искусственную случайность.

Случайные процессы являются источником риска, который с большим трудом поддается количественной оценке. Наглядным примером может служить расчет стоимости опционов, чья доходность зависит от стоимости акций, но не имеет четких закономерностей. Ее расчет очень сложен для классических компьютеров.

Чрезвычайно перспективными считаются работы внедрению искусственного интеллекта, основанного на квантовых алгоритмах, которые в состоянии находить совершенно неочевидные закономерности в больших массивах данных и давать точные прогнозы.

В разработках квантового программного обеспечения лидируют компании Multiverse Computing и Chicago Quantum. Они уже создали программы, которые пригодны для применения в банковском и страховом секторе, а также и максимальной оптимизации инвестиционных портфелей.

Самые совершенные на текущий момент программы разработаны специалистами Multiverse Computing. Они способны улучшить отбор активов и управление ими, генерируя в среднем вдвое большую доходность инвестиций при стабильном уровне риска и волатильности. Компания также занята поиском новых методов обнаружения в финансовом секторе аномалий уже на их начальной стадии. Это поможет избежать многих нежелательных кризисных явлений, в том числе злоупотреблений в банковской и биржевой сфере.

Лучшим продуктом компании является алгоритм Chicago Quantum, представляющий собой гибрид квантовой архитектуры и компьютерных сетей.

Возможности квантового компьютера могут быть теоретически в тысячи раз большими, чем у самых мощных традиционных компьютеров. Для удвоения мощности классического компьютера необходимо как минимум в 2 раза больше полупроводниковых приборов, задействованных в решении поставленной задачи. В отличие от него мощность квантового компьютера удваивается примерно каждый раз, когда добавляется всего лишь один кубит.