匯豐銀行攜手量子中間件開發(fā)商探索含噪量子比特的金融實(shí)際應(yīng)用

匯豐銀行近日與量子中間件開發(fā)商Haiqu及多位學(xué)術(shù)研究人員展開合作，共同探索在商用量子計(jì)算硬件上高效運(yùn)行金融模型的方法。相關(guān)聯(lián)合研究成果已發(fā)表于《Physical Review Research》期刊，重點(diǎn)介紹了一種將真實(shí)世界概率分布編碼至量子電路的新方法。

匯豐銀行是積極探索量子計(jì)算商業(yè)化應(yīng)用的金融機(jī)構(gòu)之一，其關(guān)注方向包括利用后量子密碼學(xué)保護(hù)金融系統(tǒng)安全，以及借助量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行更強(qiáng)大的金融市場(chǎng)模擬。

此次研究團(tuán)隊(duì)匯聚了來自匯豐銀行、Haiqu、捷克技術(shù)大學(xué)、蘇黎世大學(xué)、阿赫耶澤爾理論物理研究所、烏克蘭卡拉津哈爾科夫國(guó)立大學(xué)以及希臘雅典娜研究中心的專家，重點(diǎn)研究了萊維分布——這是一種廣泛用于模擬全球股市指數(shù)極端波動(dòng)的概率分布模型。

研究人員在論文中指出："通過開發(fā)在量子計(jì)算機(jī)上高效處理萊維分布的方法，我們?yōu)楦珳?zhǔn)地模擬市場(chǎng)行為鋪平了道路，尤其是在捕捉厚尾效應(yīng)、偏態(tài)分布和波動(dòng)率聚集等方面。"

據(jù)Haiqu介紹，量子計(jì)算雖可應(yīng)用于衍生品定價(jià)、投資組合優(yōu)化、欺詐檢測(cè)和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域，但這些應(yīng)用都需要真實(shí)的金融分布數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)必須首先被加載至量子計(jì)算機(jī)中。將經(jīng)典數(shù)據(jù)編碼為量子態(tài)的過程，被業(yè)界公認(rèn)為在硬件上實(shí)現(xiàn)眾多量子算法的主要瓶頸，在金融風(fēng)險(xiǎn)建模與仿真等需要將復(fù)雜概率分布加載至量子設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景中尤為突出。

Haiqu指出，傳統(tǒng)算法所需的量子操作數(shù)量會(huì)隨量子比特?cái)?shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這在當(dāng)今含噪、深度受限的硬件上構(gòu)成了顯著瓶頸。為此，該公司開發(fā)出一種具有線性擴(kuò)展能力（而非指數(shù)級(jí)擴(kuò)展）的緊湊型量子電路。

Haiqu聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官M(fèi)ykola Maksymenko表示："如何將真實(shí)金融數(shù)據(jù)加載至當(dāng)今量子硬件，是最大的實(shí)際障礙之一。這項(xiàng)研究展示了一條可擴(kuò)展的解決路徑，有助于推動(dòng)量子金融工作流從理論走向?qū)嶋H執(zhí)行。"

研究人員采用矩陣乘積態(tài)（MPS）方法構(gòu)建淺層量子電路，將包括概率分布在內(nèi)的平滑函數(shù)直接編碼為量子態(tài)。

研究論文顯示，在使用25量子比特的IBM量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，即便在當(dāng)前含噪的量子計(jì)算設(shè)備上，其精度也足以通過定量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。研究人員指出："分布加載方面的成果，對(duì)涉及金融數(shù)據(jù)序列的金融風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)管理和決策等多個(gè)領(lǐng)域具有重要意義。"

團(tuán)隊(duì)還采用了基于采樣的工作流，在64量子比特硬件上運(yùn)行，驗(yàn)證了該方法在更大規(guī)模下的可行性。論文中提到，在多達(dá)156量子比特的模擬實(shí)驗(yàn)中觀察到了類似表現(xiàn)，這意味著該方法有望擴(kuò)展至規(guī)模更大的問題場(chǎng)景。

匯豐銀行量子技術(shù)集團(tuán)負(fù)責(zé)人Philip Intallura表示："高效準(zhǔn)備復(fù)雜概率分布是許多量子算法的關(guān)鍵步驟。這項(xiàng)研究表明，借助更淺層的量子電路即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，使金融風(fēng)險(xiǎn)建模等實(shí)際應(yīng)用距離落地又近了一步。"

Q&A

Q1：匯豐銀行與Haiqu合作研究的核心問題是什么？

A：核心問題是如何將真實(shí)金融數(shù)據(jù)高效加載至量子計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)方法所需的量子操作數(shù)量隨量子比特?cái)?shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，在含噪硬件上難以實(shí)用。Haiqu開發(fā)了基于矩陣乘積態(tài)的淺層量子電路方案，實(shí)現(xiàn)線性擴(kuò)展，有效突破了這一瓶頸。

Q2：萊維分布在量子金融研究中有什么作用？

A：萊維分布常用于模擬全球股市指數(shù)的極端波動(dòng)，能夠捕捉厚尾效應(yīng)、偏態(tài)分布和波動(dòng)率聚集等特征。研究團(tuán)隊(duì)專注于在量子計(jì)算機(jī)上高效處理萊維分布，目的是讓量子計(jì)算機(jī)能夠更精準(zhǔn)地模擬真實(shí)市場(chǎng)行為，為衍生品定價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)管理等金融應(yīng)用提供支撐。

Q3：這項(xiàng)量子電路研究在實(shí)際硬件上驗(yàn)證效果如何？

A：研究團(tuán)隊(duì)在25量子比特的IBM量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示精度足以通過定量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。此外，團(tuán)隊(duì)還在64量子比特硬件上驗(yàn)證了方法的可行性，并在最多156量子比特的模擬實(shí)驗(yàn)中觀察到一致表現(xiàn)，表明該方法具備向更大規(guī)模問題擴(kuò)展的潛力。