Δύο νέες εξελίξεις στην κβαντική υπολογιστική αποκαλύπτουν τις εμπορικές δυνατότητες της συγκεκριμένης τεχνολογίας

του Jeremy Kahn

Η κβαντική υπολογιστική πλησιάζει όλο και περισσότερο στην αξιοποίηση των δυνατοτήτων της ως μετασχηματιστικής τεχνολογίας για πολλές επιχειρήσεις. Την περασμένη εβδομάδα, δύο ανακοινώσεις έδωσαν μια γεύση από το πώς δύο διαφορετικοί τομείς, η κατασκευή χάλυβα και τα χρηματοοικονομικά, ίσως βρίσκονται στο κατώφλι του να μπορέσουν να κάνουν πράγματα με κβαντικούς υπολογιστές που μέχρι τώρα ήταν αδύνατα.

Η Cambridge Quantum Computing, μια εταιρεία με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο, η οποία πρόσφατα συμφώνησε να συγχωνευθεί με τον κλάδο κβαντικών υπολογιστών του βιομηχανικού γίγαντα Honeywell και να αποσχιστεί ως νέα εταιρεία που θα είναι εισηγμένη στο χρηματιστήριο, ανακοίνωσε ότι συνεργάστηκε με την ιαπωνική Nippon Steel Corporation, έναν από τους κορυφαίους παραγωγούς χάλυβα στον κόσμο, για να προσομοιώσει τη συμπεριφορά των κρυστάλλων σιδήρου σε δύο διαφορετικές διαμορφώσεις.

Αυτή η χημική προσομοίωση είναι τόσο πολύπλοκη που οι επιστήμονες δεν μπορούν να την εκτελέσουν με ακρίβεια σε έναν συμβατικό υπολογιστή. Σε αυτή την περίπτωση, η Nippon Steel και η Cambridge Quantum Computing χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό υπολογιστή της IBM, με πρόσβαση μέσω του Διαδικτύου, και εξειδικευμένους αλγορίθμους που αναπτύχθηκαν από την Cambridge Quantum Computing για να εκτελέσουν την προσομοίωση.

Οι επιστήμονες που συμμετείχαν στην έρευνα δήλωσαν ότι οι τεχνικές αυτές θα μπορούσαν τελικά να βοηθήσουν στη δημιουργία νέων τύπων χάλυβα, καθώς και να απαντήσουν σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με το τι συμβαίνει στον στερεό πυρήνα σιδήρου της γης, όπου το μέταλλο υποβάλλεται σε ακραία θερμότητα και πίεση.

Επίσης, την Τρίτη, ερευνητές της Goldman Sachs, της IonQ (εταιρεία που κατασκευάζει κβαντικούς υπολογιστές) και της QC Ware, μιας νεοφυούς εταιρείας που ειδικεύεται στους αλγορίθμους κβαντικής υπολογιστικής, δήλωσαν ότι απέδειξαν πώς μια θεμελιώδης μαθηματική τεχνική που στηρίζει την τιμολόγηση του χρηματοοικονομικού κινδύνου μπορεί να εκτελεστεί καλύτερα και ταχύτερα σε έναν κβαντικό υπολογιστή από ό,τι σε συμβατικούς.

Οι ερευνητές προηγουμένως θεωρούσαν ότι αυτού του είδους το «κβαντικό πλεονέκτημα» θα έπρεπε να υπάρχει για αυτή τη μαθηματική μέθοδο, που ονομάζεται προσομοίωση Μόντε Κάρλο. Αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες αποδεικνύουν με σαφήνεια αυτή τη βελτιωμένη απόδοση χρησιμοποιώντας έναν εξειδικευμένο κβαντικό αλγόριθμο σε πραγματικό hardware κβαντικής υπολογιστικής.

Ο Will Zeng, επικεφαλής κβαντικής έρευνας στην Goldman Sachs, δήλωσε ότι το πείραμα ήταν σε θέση να δείξει ότι με έναν αρκετά ισχυρό κβαντικό υπολογιστή, θα πρέπει να υπάρχει σημαντική βελτίωση των επιδόσεων στην τιμολόγηση του χρηματοοικονομικού κινδύνου.

Προειδοποίησε, ωστόσο, ότι οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι αρκετά ισχυροί για να εκτελέσουν τις μεγάλες προσομοιώσεις Μόντε Κάρλο που θα χρειαζόταν η επενδυτική τράπεζα για την καλύτερη τιμολόγηση πολύπλοκων συμβολαίων παραγώγων ή για υπολογισμούς overnight value-at-risk για χαρτοφυλάκια περιουσιακών στοιχείων, δύο τομείς στους οποίους η Goldman ελπίζει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα προσφέρουν τελικά σημαντικό πλεονέκτημα.

Επί του παρόντος, η Goldman χρησιμοποιεί συμβατικές υπολογιστικές τεχνικές για την τιμολόγηση παραγώγων, με έναν υπολογισμό να διαρκεί από λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο έως αρκετά λεπτά, ανάλογα με την πολυπλοκότητα του χρηματοπιστωτικού μέσου. Αλλά τα αποτελέσματα μπορεί να μην είναι τόσο ακριβή όσο αυτά που μπορούν να επιτευχθούν με έναν κβαντικό υπολογιστή. Και, όπως σημειώνει ο Zeng, όταν πρόκειται για χρηματοπιστωτικά προϊόντα με υψηλή μόχλευση, ακόμη και μια μικρή ποσοστιαία βελτίωση στην τιμολόγηση του κινδύνου μπορεί να οδηγήσει σε τεράστια διαφορά στην κερδοφορία.

Στην περίπτωση της αποτίμησης του κινδύνου ενός ολόκληρου χαρτοφυλακίου περιουσιακών στοιχείων, το ζήτημα είναι τόσο η ακρίβεια όσο και το κόστος του υπολογιστικού χρόνου – οι υπολογισμοί είναι τόσο πολύπλοκοι που κυριολεκτικά χρειάζεται ένα σύμπλεγμα υπερυπολογιστών για να τους εκτελέσει. Όσο πιο ακριβές είναι το αποτέλεσμα του υπολογισμού, τόσο λιγότερο κεφάλαιο χρειάζεται ενδεχομένως να διατηρεί η Goldman σε απόθεμα για να προφυλαχθεί από ξαφνικές πτώσεις της αξίας του χαρτοφυλακίου της. Ένας ισχυρός κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να επιτύχει ακριβέστερες απαντήσεις μέσα σε λίγα λεπτά.

Το μικρό πείραμα που διεξήγαγαν η Goldman, η IonQ και η QC Ware αφορούσε μόλις τέσσερις μονάδες κβαντικής επεξεργασίας, γνωστές ως qubits, με δυνατότητα εκτέλεσης περίπου 100 λογικών πράξεων. Όπως λέει ο Zeng, η Goldman υπολόγισε ότι για να ξεπεραστεί η απόδοση ενός συμβατικού υπολογιστή στην τιμολόγηση ενός και μόνο σύνθετου συμβολαίου παραγώγων θα χρειαζόταν ένας κβαντικός υπολογιστής με περίπου 8.000 qubits και τη δυνατότητα εκτέλεσης περίπου 54 εκατομμυρίων πράξεων.

Η έρευνα είναι πάντως σημαντική λόγω της τεράστιας γκάμας προβλημάτων που μπορούν να αντιμετωπιστούν με τη χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo, από τον προσδιορισμό των πιθανών επιπτώσεων των μεταβολών των τιμών έως τη δημιουργία πιο ανθεκτικών αλυσίδων εφοδιασμού. Η τεχνική είναι επίσης σημαντική για πολλές εφαρμογές μηχανικής μάθησης. Όταν χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν πολλά διαφορετικά πιθανά αποτελέσματα, μια προσομοίωση Μόντε Κάρλο δημιουργεί μια εικόνα της κατανομής των πιθανοτήτων των πιθανών σεναρίων.

Για την προσομοίωση των κρυστάλλων σιδήρου, οι επιστήμονες της Cambridge Quantum Computing και της Nippon Steel χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό επεξεργαστή IBM με επτά qubits. Και εδώ, οι ερευνητές σημείωσαν ότι η επίτευξη μιας ακριβέστερης προσομοίωσης των ενεργειακών καταστάσεων των κρυστάλλων σιδήρου θα απαιτούσε μια πολύ πιο ισχυρή και λιγότερο επιρρεπή σε σφάλματα κβαντική συσκευή από αυτή που υπάρχει σήμερα.