欧洲第三大交易所证明了量子计算可加速风险模型分析

光子盒研究院出品

当金融业在寻求创新转型时，量子计算作为最热门的技术之一，正走向舞台的中心。从一个理论概念到未来的颠覆性技术，量子计算正在缓慢而稳定地发展，在解决传统计算无法解决的问题方面，量子计算显示出了巨大的潜力。争夺“量子霸权”的竞赛已经开始，越来越多的科学家正在寻求发掘传统IT设备无法发掘的商业价值。

德意志交易所集团(Deutsche Börse)正密切关注新趋势，作为其战略重点放在新技术上。集团包括法兰克福证券交易所和欧洲期货交易所(Eurex)，其中法兰克福证券交易所是欧洲第三大交易所。

总部位于法兰克福的德意志交易所

德意志交易所集团正在探索推动金融业现在和未来发展的技术。因此，他们启动了一个早期试点项目，将量子技术应用于解决现实世界的问题，以更好地理解该技术及其对交易所业务的适用性。德意志交易所集团聘请法兰克福的金融科技公司JoS QUANTUM开发了一种量子算法，以解决计算交易所业务风险模型中存在的挑战。

德意志交易所集团的风险模型用于预测不利的外部因素(比如宏观经济事件、竞争变化以及监管政策)产生的财务影响。

德意志交易所集团的风险模型。假设一个国家X可能经历政治危机(RI₂)。如果发生这种情况，有50%的几率触发X国(RI₃)的评级下调。降级也可能在没有政治危机的情况下发生，概率为10%。X国的危机也可能引发汇率(FX)波动性增加(RI₄)，概率为40%。同样，外汇波动率也可以在没有政治危机的情况下以5%的概率增加。每一项都会带来影响，这应该被视为收入损失。

目前的方法是在现有的经典硬件上通过传统的蒙特卡罗模拟进行计算。根据模型的复杂性和模拟参数的数量，风险模型的计算时间从几分钟到几个小时甚至几天不等。对于今天模型的全面敏感性分析，需要分析的场景数量不成比例地增长，计算时间超出了预期范围。

如果输入参数是1000个，需要长达10年的蒙特卡罗模拟。在实际业务中，需要几天以上时间的计算没有任何商业利益。

集团负责业务风险和信息技术运营风险的风险经理Carsten Schfer和JoS QUANTUM公司共同撰写了一篇论文《商业风险敏感性分析的量子算法》。

通过引入量子计算，目的是分析全面敏感性分析的计算时间是否可以显著缩短，可能从几年缩短到24小时以下。此外，他们希望深入了解日常运行这种全面敏感性分析需要什么样的量子计算能力，并更好地理解编码和运行量子现实世界用例所需的工作。

第一步通过一个将振幅估计(蒙特卡罗模拟的量子版本)与Grover算法(量子搜索算法)相结合的简化模型，模拟了预期加速，从而使量子机器上的计算能够实现平方加速。然后，将其与在现有的经典硬件上运行的传统蒙特卡罗模拟结果的性能进行比较。

简化模型的量子电路

第二步，将简化模型的结果外推至实际应用的模型大小。这些结果表明，量子计算的应用将大大减少所需的计算工作，从而缩短计算时间。

使用一个Grover步骤实现风险模型敏感性分析的量子电路。q0到q7是量子振幅估计(QAE)的输出，其中q0是二进制表示的最低有效位。Grover oracle由QAE、两个条件相位运算和逆QAE组成。

第三步是在位于美国纽约州Poughkeepsie的IBM量子机器Vigo上成功运行德意志交易所的风险模型，该机器可通过IBM云访问。这台机器现在只有少量的量子比特，因此不能运行更大的模型。但已经证明了在量子机器上执行算法，使他们能够验证风险模型在量子代码中的成功实现。

此外，他们对量子比特数量和质量的硬件要求进行了评估，以推断在生产中运行全面敏感性分析需要哪一代量子计算硬件；这似乎在几年后就可以实现了。

对于所选的1000个输入，量子计算比经典计算快20万倍，在经典硬件上运行传统蒙特卡罗模拟需要大约10年，而量子蒙特卡罗模拟的计算时间还不到30分钟。经典计算机模拟和量子计算机模拟的比较结果如下：

实验结果表明，使用量子计算可以实现预期速度的提升。此外，研究团队演示了风险模型的一个子集在IBM量子机器上的成功执行。他们估计了完整模型计算所需的最小量子硬件的最早可用性，仅仅在几年之后。

“量子硬件提供商有可能在2025年后满足这些要求，这就意味着量子计算在风险管理中的实际应用可能只需要几年时间！”

这可能会打开一个具有显著优势的新领域：一个更加复杂、详细、快速、但同样稳健的风险管理模型，实现全面敏感性分析。

量子计算将以足够快的速度在一个丰富的模型上产生结果，从而具有实际应用价值。

也可以考虑将这项试点研究中基于量子的方法应用于风险管理的其他领域：信贷风险和操作风险，这是一个更复杂的模型，需要更精确的预测。

参考链接：

[1]https://www.deutsche-boerse.com/dbg-en/products-services/insights-innovation-new-technologies-en/Quantum-computing-opening-up-new-business-horizons--2570224

[2]https://arxiv.org/pdf/2103.05475.pdf

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