Kwantumfinanciële systemen: een helder, praktisch overzicht

Kwantumfinanciën is een tak van de econofysica, een heterodoxe, interdisciplinaire onderzoeksgebied dat theorieën en technieken toepast om complexe economische problemen op te lossen.

De implementatie van kwantumtechnologie op financiële vraagstukken – met name die met niet-lineaire dynamica, onzekerheid of stochastische processen – kan voor early adopters zeer voordelig zijn. Snellere reactie op marktvolatiliteit, nauwkeurigere risicoanalyse en het benutten van gedragsdata om klantbetrokkenheid te verbeteren, zijn enkele specifieke voordelen die kwantumcomputing in de komende decennia kan leveren.

Als u zich afvraagt of het kwantumfinanciële systeem een realiteit kan worden, is het antwoord ja. Het klinkt misschien als sciencefiction, maar het is een zeer authentieke technologie.

De concept van kwantumgeld werd al in 1970 geïntroduceerd door natuurkundige Stephen Wiesner, maar bleef ongepubliceerd tot 1983. Een praktische manier om het te ontwikkelen (met methoden uit semidefinite programmering) werd pas in 2013 uitgevonden.

Vandaag is het primaire doel van het Financiële Kwantumsysteem om de consistentie van geldstromen te waarborgen, onzekerheid in financiële modellen precies te schatten en de tekortkomingen van het centrale bankensysteem te elimineren.

Huidig financieel systeem

De financiële wereld is de afgelopen 50 jaar sterk geëvolueerd. Nog niet zo lang geleden was contant betalen de norm. Nu hebben we tal van opties: debit-/creditcards, betaal-apps of cryptoportemonnees op de smartphone.

De 30 grootste banken ter wereld beheren samen meer dan 55 biljoen dollar. Volgens de Securities Industry and Financial Markets Association bedraagt de obligatiemarkt wereldwijd meer dan 119 biljoen dollar, waarvan 46 biljoen voor de VS.

In deze complexe markt worden elke seconde talloze financiële activiteiten uitgevoerd – van effectenprijzen tot risicoanalyse. Elke activiteit vereist de mogelijkheid om kort- en langetermijnuitkomsten te beoordelen.

Daarvoor gebruiken financiële instellingen geavanceerde algoritmen en machine learning-modellen die statistische kansen meten. Deze modellen zijn echter niet volledig accuraat – de financiële crisis van 2008 bewijst dat.

De huidige technologie moet nog verder rijpen om beloftes waard te maken. Daarom testen diverse financiële bedrijven nieuwe processoren die de wetten van de kwantumfysica benutten om enorme datavolumes met ongekende snelheid te verwerken. De mogelijkheden zijn eindeloos.

Hoe kan kwantumcomputing helpen?

Kwantummachines kunnen industrieën die enorme rekenkracht vereisen revolutioneren: ontdekking van nieuwe geneesmiddelen, versterking van diepe neurale netwerken, modellering van financiële markten en ontwikkeling van veilige communicatie (kwantuminternet). In dit artikel richten we ons op hoe kwantumcomputers het huidige financiële systeem kunnen verbeteren.

Banksector, niet-bankfinanciële instellingen, hedgefonds en andere financiële partijen gaan om met zeer gevoelige data zoals klanttransacties en contracten. Deze data moet langdurig privé en veilig blijven.

De meeste bankactiviteiten, zoals bepaling van effectenprijzen, kennen een hoge computationele complexiteit. Bij optieprijzen komt extra complexiteit door de noodzaak om snel te reageren op snel veranderende markten.

Financiële instellingen zijn daarom constant op zoek naar efficiënte manieren om de prijs van aandeelopties te bepalen, terwijl klantdata veilig blijft. Onderzoek toont aan dat kwantumcomputing groot potentieel heeft om dergelijke kritische financiële problemen op te lossen.

Bij het simuleren van kwantummechanica en algoritmen als Grover's algoritme voor kwantumzoeken en Shor's algoritme voor factorisatie, presteren kwantumcomputers beter dan klassieke computers.

Basisprincipes van kwantumcomputing

Het werkingsprincipe van kwantumcomputers berust op kwantumfysica: bepaalde deeltjeseigenschappen kunnen in twee verschillende toestanden, of een combinatie daarvan, tegelijkertijd bestaan. In tegenstelling tot klassieke computers die werken met bits (0 en 1), kunnen kwantummachines simultaan 0 en 1 zijn, of een mengvorm daarvan.

Omdat een kwantumsysteem in meerdere toestanden tegelijk kan bestaan (superpositie), kan het veel complexere taken uitvoeren dan klassieke supercomputers. Dit opent de deur tot enorme computationele mogelijkheden.

De uitkomsten van kwantumberekeningen zijn probabilistisch (niet deterministisch): de output kan verschillen zelfs bij identieke input. Daarom moet dezelfde berekening meerdere keren herhaald worden om convergentie naar een gemiddelde te garanderen.

Waar klassieke computers met bits werken, is de basiseenheid van kwantuminformatie de qubit (kwantumbit). Deze kan gerealiseerd worden als fotonen, elektronen of kernen. Voorbeelden zijn de polarisatie van een foton (horizontaal/verticaal) of de spin van een elektron (omhoog/omlaag).

Volgens kwantumwetten kan een qubit in een coherente superpositie van beide toestanden verkeren. Een twee-qubit systeem kan de toestanden '00', '01', '10', '11' hebben – een klassieke computer zou 4 bits nodig hebben. 3 qubits gelijk 8 bits, 4 qubits 16 bits, 5 qubits 32, 6 qubits 64, enzovoort. Een 300-qubit systeem kan meer toestanden hebben dan het totale aantal atomen in het universum. Zelfs de krachtigste klassieke supercomputer kan dat nooit verwerken.

Daarom tonen financiële instellingen groot belang in kwantumcomputing. Hoewel nog geen kwantummachine gevorderd genoeg is om taken te doen die een klassieke computer niet kan, is er grote vooruitgang.

Lees ook: 22 meest interessante feiten over kwantumcomputers

Kwantumgeldsysteem

In het standaardbankmodel wordt geld herkend in drie vormen: waren-geld, fiat-geld en fiduciair geld.

We hebben de opkomst van cryptovaluta's gezien, maar die zijn nog niet breed geaccepteerd. Het is een digitaal betalingssysteem zonder centrale uitgevende of regelgevende autoriteit, gebaseerd op een gedistribueerd openbaar grootboek (blockchain).

Kwantumgeld gaat een stap verder. Het past kwantumcryptografische protocollen toe om valuta te genereren en valideren. Omdat willekeurige kwantumtoestanden niet perfect gekopieerd kunnen worden, is vervalsing van kwantumgeld onmogelijk.

Het idee ziet er goed uit op papier, maar is met huidige technologie niet haalbaar. Kwantumgeld vereist opslag van willekeurige kwantumtoestanden in kwantumgeheugen – de kwantummechanische versie van conventioneel geheugen.

Hoewel jarenlange onderzoek kwantumgeheugen in staat stelde qubits op te slaan, lukt dit maar voor zeer korte tijd. Wereldwijd werken onderzoeksinstellingen aan nieuwe materialen voor geheugens die kwantuminformatie die door licht wordt gedragen, langer kunnen vasthouden.

Voordelen van het kwantumfinanciële systeem

Terwijl verdubbeling van de kracht van een klassieke computer ongeveer het dubbele aantal transistors vereist, kan de kracht van een kwantumcomputer verdubbeld worden door slechts één qubit toe te voegen. Dit kan voor early adopters aanzienlijk voordelig zijn.

Kwantumcomputing kan financiële instellingen in de komende decennium in staat stellen specifieke zakelijke problemen op te lossen en operationele processen te herontwerpen.

Klanttargeting en voorspellende modellering: Kwantumcomputers zijn uitstekend in het ontdekken van verborgen patronen in complexe datastructuren, classificaties en nauwkeurige voorspellingen.

Fraudedetectie: Financiële instellingen verliezen jaarlijks 20-45 miljard dollar aan omzet door fraude en slecht servicemanagement. Bestaande systemen leveren 80% false positives op, waardoor de banksector constant aan risico loopt. Kwantumcomputing kan een beslissende voordel bieden in de strijd tegen betalingsfraude. De exponentiële snelheid, afgeleid van kwantumsuperpositie en verstrengeling, kan helpen bij het herwaarderen van mogelijke oplossingen om fraudedetectie-algoritmen te optimaliseren.

Klantenbeheer: Kwantumcomputing kan processen stroomlijnen en medewerkers helpen de klantervaring te perfect maken.

Portfoliobeheer: Kwantumcomputing kan asset-pricingmodellen versnellen en prestatieverbeteringen teweegbrengen. Het kan talloze optimalisatieberekeningen in een fractie van de tijd uitvoeren zonder benaderingen. De combinatorische optimalisatiecapaciteiten kunnen investeerders helpen bij betere diversificatie, herbalansering van portefeuilles naar marktomstandigheden en doelen, en efficiënter afwikkelen van handelsverrichtingen.

Recente ontwikkelingen in kwantumfinanciën

De vooruitgang van de laatste 10 jaar richting kwantumsuprematie bewijst dat kwantumcomputers sommige specifieke problemen beter kunnen oplossen dan klassieke computers.

• 2014: Onderzoekers uit Nederland ontwikkelden een fraudevrije techniek voor authenticatie van credit-/debitcards die praktisch onmogelijk te doorbreken is.
• 2018: Canadese onderzoekers publiceerden een kwantumalgoritme voor Monte Carlo-prijzen van financiële derivaten, met een methode om relevante kansverdelingen in kwantumsuperpositie te creëren en prijzen te extraheren via kwantummetingen.
• 2020: David Orrell stelde een binomiaal optieprijsmodel voor gebaseerd op een kwantumwandeling dat direct op een kwantumapparaat draait. In hetzelfde jaar losten D-Wave kwantumcomputers het portefeuille-optimalisatieprobleem op met veelbelovende resultaten – de prestaties waren vergelijkbaar met supersnelle klassieke computers.
• 2021: Een onderzoeksgroep ontwikkelde kwantumalgoritmen voor high-frequency statistische arbitragehandel met behulp van variable time condition number estimation en kwantumlineaire regressie.

Heden en toekomst van kwantumfinanciën

Kwantumcomputingtechnologie is nog niet volledig ontwikkeld. De meeste voordelen en toepassingen zijn nog conceptueel. De banksector heeft twee keuzes:

• Wachten op de technologie en pas reageren wanneer kansen of dreigingen geïdentificeerd worden.
• Nu al verbinding maken met de kwantumwereld, use cases identificeren en kwantumbeveiligingsoplossingen integreren.

De tweede optie lijkt beter. Veel investeringsbanken en financiële dienstverleners – waaronder JPMorgan Chase, HSBC en Wells Fargo – investeren al miljoenen in kwantumonderzoek en innovatieprogramma's.

Er is veel onderzoek en engineering gewijd aan de realisatie van kwantumalgoritmen met substantiële polynomiale versnelling in data-laden en data-verwerkingssubroutines.

Tot nu toe is er nog geen praktische toepassing met exponentiële versnelling ten opzichte van klassieke tegenhangers uitgevonden, maar er zijn veel veelbelovende modellen voorgesteld.

IBM heeft bijvoorbeeld 127 qubits in zijn proprietaire kwantumchip weten te plaatsen. De processor gebruikt meerdere lagen voor signaalvoerende draden, wat nauwkeurige uitlezing van qubits mogelijk maakt. Hoewel deze techniek gangbaar is in klassieke chips, is het een grote prestatie in de kwantumwereld.

Verwacht wordt dat kwantumcomputers eind 2030 de mogelijkheden van klassieke computers zullen overstijgen. Techreuzens als IBM en Google werken aan machines met honderden qubits. IBM maakte haar ambities concreet met een blauwdruk voor de ontwikkeling van kwantumcomputers, met als doel een 1000-qubit computer.

Dit zal een disruptieve impact hebben op talloze industrieën, met name financië. Financiën wordt geschat de eerste sector te zijn die op korte en lange termijn profiteert van kwantumcomputing.

Toekomstige vooruitgang in banken en financiële instellingen kent echter uitdagingen: identificeren welke problemen efficiënt door kwantummachines opgelost kunnen worden, verbeteren van interfaces voor betere toegankelijkheid, upgraden van infrastructuur, en het breder maken van belangstelling voor kwantumcomputing verder dan een elite groep fysici en wiskundigen.

Over het algemeen is het adopteren van kwantumoplossingen geen kortetermijnproces. Het is niet als een software-upgrade waar je op een knop drukt en klaar bent. Het is een lange-termijnreis die niet alleen afhangt van de capaciteit van de banksector om problemen te definiëren en infrastructuur aan te passen, maar ook van de vermogen om medewerkers en klanten in dit proces te betrekken.

Veelgestelde vragen

Wat zijn de populairste kwantumalgoritmes?

Een kwantumalgoritme is een stap-voor-stap instructie waarbij elke stap op een kwantumcomputer uitgevoerd kan worden. De term 'kwantum' geldt voor algoritmes die basiseigenschappen van kwantumberekening benutten, zoals kwantumverstrengeling of superpositie.

Deze algoritmes zijn toepasbaar in zoekoptimalisatie, cryptografie, oplossen van grote lineaire stelsels en simulatie van kwantumsystemen. De vijf populairste zijn:

1. Shor's algoritme: ontbindt gehele getallen in polynomiale tijd
2. Grover's algoritme: lost ongestructureerde zoekproblemen snel op
3. Simon's algoritme: lost een specifiek probleem exponentieel sneller op met minder queries dan het beste deterministische klassieke algoritme
4. Bernstein–Vazirani algoritme: ontwikkeld om een oracelscheiding te bewijzen tussen complexiteitsklassen BPP en BQP
5. Deutsch–Jozsa algoritme: was het eerste dat aantoonde dat een kwantumcomputer voor een specifiek probleem voordelig kan zijn

Wanneer start het kwantumfinanciële systeem?

De era van het kwantumfinanciële systeem staat voor de deur. Binnen het komende decennium zal kwantumcomputing waarschijnlijk een van de mainstream-oplossingen in de financieringssector worden.

Volgens MarketsandMarkets Research wordt de marktgrootte van kwantumcomputing verwacht te groeien naar 1,76 miljard dollar in 2026 (van 472 miljoen in 2021), met een CAGR van 30,1%. Vroegtijdige adoptie in de financiële sector zal de wereldwijde marktgroeien drijven.

Welke banken investeren in kwantumcomputing?

J.P. Morgan, Goldman Sachs, Citigroup, Mitsubishi Financial Group, Barclays, Wells Fargo, BNP Paribas, HSBC en Japan Post Bank – ze investeren allemaal miljoenen; sommigen experimenteren al met toepassingen.

Kun je investeren in kwantumcomputing?

Ja, er zijn veel kansen voor investeerders die willen inzetten op kwantumcomputing. Verschillende bedrijven in dit vakgebied zijn genoteerd op de NYSE. Er is ook een kwantumcomputing ETF (Defiance Quantum ETF) beschikbaar voor bredere expositie aan deze industrie.