量子计算与金融体系：机遇与风险33份

BIS 研究报告No 149量子计算与金融体系：机遇与风险 由Raphael Auer, Angela Dupont, Leonardo Gambacorta, Joon Suk Park, Koji Takahashi和Andras Valko 撰写 货币与经济部门 JEL分类：C19, C63, C8, M15, G1, G17 关键词：量子计算、量子算法、量子密码学、量子弹性密码学、人工智能、计算金融、Leap项目。 所表达的观点为作者个人观点，并不一定代表BIS的观点。 此出版物可在国际清算银行网站（www.bis.org）上找到。 © 国际清算银行 2024。版权所有。在注明来源的情况下，可以复制或翻译简短摘录。 量子计算与金融系统：机遇与风险* 拉斐尔·奥伊尔，安吉拉·杜庞特，莱昂纳多·甘巴科塔，具旭植，高桥浩一，以及安德拉斯·瓦尔科* 摘要 量子计算机目前仍处于实验阶段，但未来它们可能对金融体系产生深远影响。通过提供更快且可能更有效的解决方案，量子计算机有潜力解决经济学和金融领域至关重要的某些复杂问题。例如，量子模拟算法可以应用于压力测试和宏观经济分析，而量子优化可以用于资产定价。同时，量子计算机的出现也引入了潜在威胁金融稳定的因素，尤其是在它们能够突破一些最广泛使用的加密算法的能力方面。尽管量子计算的发展仍处于起步阶段，但敏感数据现在被存储，目的是稍后进行解密，这要求立即做好准备。本文探讨了量子力学变革性的潜力及其在金融体系中的应用，包括潜在的利益以及主要风险。它还强调了中央银行社区目前采取的行动来应对这些潜在风险，包括由国际结算银行创新中心、法国央行和德国联邦银行启动的“Leap”项目。 K关键词：量子计算、量子算法、量子密码学、量子鲁棒密码学、人工智能、计算金融、Leap项目。 JEL分类：C19, C63, C8, M15, G1, G17. 1. 引言 近年来，量子计算研发（R&D）的步伐加快。继20世纪80年代的初步想法（费曼，1982年）之后，该概念在1998年更接近现实，当时牛津大学的研究人员创建了第一个双量子比特量子计算机。（QC）展示利用量子物理进行计算的可能性（Jones等，1998年）。在2023年至2024年期间，实验性量子计算机的规模达到1,000个量子位（Atom Computing（2023年），IBM（2024年）），标志着计算能力的显著提升。截至2024年，尽管量子计算机仍处于实验阶段，技术开发商已通过路线图将系统扩展到具有2,000个逻辑量子位的系统（IBM（2024年）），旨在在2033年之后提供量子计算的全部力量（图1）。 图1 一个量子比特或量子位是量子计算（QCs）中的基本信息单元，类似于经典计算中的比特。而一个经典比特必须始终处于两种可能状态之一，即 0 或 1，一个量子比特则可以存在于这两种状态的叠加态中，有一定的概率是 0，也有一定的概率是 1。这种性质对于习惯于经典物理学的人来说可能难以理解，但在量子力学中它是基本原理之一。量子比特能够处于叠加态，以及另一个称为纠缠的性质——即多个量子比特可以共享一个共同的状态——这开辟了构建与经典计算机根本不同的计算机的可能性。 然而，一个量子比特可以由于叠加表示两种状态的组合，一个1000量子比特的量子计算机（QC）理论上具备表示2的能力1000不同州同时。1QCs利用量子比特之间的纠缠 1这不意味着质量控制系统存储了所有2 1000在经典意义上同时表示这些状态，但更确切地说，它可以表示涉及所有这些状态的量子叠加。 关于叠加态执行一系列操作的概率。这使它们能够比经典计算机更高效地进行一些计算，从而在某些情况下实现比目前任何计算机都要快和更准确的计算。 这种潜力和该领域的快速发展吸引了所有相关方的关注：研究人员、投资者、金融市场操作者和政策制定者（图2.A）。对量子计算提供的新机会越来越感兴趣，引发了风险投资家在量子计算相关项目中的投资激增与该研究领域新发现的相互互动（图2.B）。 量子机器基于根本不同的原理运行，为无法解决的挑战带来了新的解决方案。2一些最有前景的领域包括模拟、优化和搜索问题。实际上，第一个应用领域可能会是量子力学现象的模拟。此外，量子计算还具有……潜在应用在许多其他领域，如化学和生物工程以及复杂制造（Bova 等人，2021 年）。 本文探讨了QCs对金融系统的影响，重点包括潜在的应用、机遇和风险。事实上，QCs持有 2量子计算机不仅将是今天通用计算机的更快版本。在实践上，经典计算机和量子计算机预计将相互补充。经典计算机将继续高效地处理常规任务，而量子计算机将处理更复杂的任务。具体的、复杂的问题，对于经典计算来说是不切实际的。 承诺受益于通过实施新型算法的能力，金融系统能够显著改善复杂的定价和风险评估流程。相反，如上所述，量子计算（QCs）通过可能破坏当前保护金融数据的加密协议，对金融系统的安全构成了威胁。本文强调了这两个方面，并讨论了中央银行和金融中介机构可以采取的策略来减轻由此产生的威胁。从量子计算（QCs）的进步。 在金融领域，QCs可以通过增强风险评估、优化投资组合管理、改进宏观经济分析以及许多其他领域来提供新的可能性。结合人工智能，它还可能在欺诈检测或交易策略等方面提供显著价值。此外，新的应用将继续出现，例如，通过关于金融应用量子算法文献的强劲增长可以得到证明。 同时，QC的由于它们预期能够破解一些常用的加密技术，因此对金融系统构成了严重威胁。在数字通信和金融系统中，加密方案基于数学问题，这些问题的解决对于今天的计算机来说是极其困难的。然而，一些这些问题将由未来的量子计算机解决，为恶意行为者破解加密提供了可能性。如果不采取适当行动，一个认证和加密方法依赖于当前加密技术将变得无效，这会损害机密性和完整性，并可能导致重大财务和声誉损失（BIS（2023））。 本文的其余部分结构如下。第二章提供了量子计算和量子算法的概述。第三章深入探讨了量子计算在金融领域的潜在应用，包括量子计算与人工智能交汇处的进步。在章节在第4节，我们讨论了这些潜在应用的经济效应。在第5节，我们描述了量子力学对密码学的影响，包括风险和机遇。基于此，第6节讨论了可能对金融系统产生的影响以及减轻风险的措施。第7节总结了主要结论。 2. 量子计算与量子算法 量子计算是一种开创性的技术该系统利用量子力学的原理进行计算。与使用二进制数字（比特）处理信息、只能为0或1的经典计算机不同，量子计算机使用量子比特，或称为qubits。一个量子比特可以存在于一个状态，叠加，以一定概率为0，以一定概率为1。此外，两个量子位可以处于纠缠意味着它们共享一个共同的量子状态。这些叠加和纠缠的现象通过经典物理无 法解释，并且在没有深入理解量子力学的情况下常常显得反直觉。简而言之，这两个特性使得量子计算机能够以与传统计算机截然不同的方式执行计算。 虽然质量中心（QCs）的概念自20世纪80年代以来就已为人所知，并且第一个实验性小- 扩展规模的量子计算（QCs）建于20世纪90年代末，实际的量子计算实现尚未可用，目前无法知道它们是否以及何时会可用。主要挑战之一是有关在计算时间内保持量子比特处于量子状态的难题。如果量子比特未能充分隔离其环境，其量子状态可能会崩溃，导致计算中引入噪声。3为了减轻这一点问题，质量保证（Quality Control）需要比通常情况下更多的量子位 。这允许在量子计算机内部进行数据表示的冗余，并确保即使某些量子位因噪声而受损，其他量子位仍能继续正确运行。4 一个关键的研究方向是增加量子计算机中的量子比特数量。这一技术在演进过程中取得的一个重大里程碑是，谷歌在2019年宣布其53量子比特的量子计算机在特定任务中超越了经典计算机（Arute et al (2019)）。5IBM于2022年推出的433量子比特量子计算机标志着量子计算能力方面的又一重大进步。在撰写本文时，最大的实验性量子计算机拥有超过1000个物理量子比特，而根据一些估计，量子计算机要开始解决实际问题，需要至少100万个物理量子比特（NEC（2024））。 然而，另一条研究线正在研究计算技术和算法，这些技术和算法可以利用未来的量子计算（QC）。经典计算机有操作系统来隐藏位物理实现的细节，这样程序员就可以在不考虑计算机物理细节的情况下实现算法。同样，量子计算领域正在发展它自己的算法集合和计算技术，这些可以应用于未来的量子计算，而不管量子位（qubits）的具体实现方式如何。 量子计算机不会是今天计算机的更快版本，并且它们也不适用于今天由经典计算机执行的所有任务。实际上，根据目前的理解，量子计算只适用于特定且狭窄的计算任务集。对于这些任务，量子计算机可能比经典超级计算机高几个数量级地表现出色，使得解决一些在当今实际上无法解决的问题成为可能。 量子霸权是利用量子计算机解决一个在现实时间范围内经典计算机无法解决的问题的里程碑。这个术语没有确切的定义；例如，对于问题是否必须是实际应用中的有用问题或是否可以是人工测试案例，存在不同的观点。 3构建量子系统面临若干复杂挑战，例如需要将量子系统冷却至接近绝对零温度以维持相干性。开发大量精确控制的量子位是一个研究人员正在积极应对的挑战。但在达到大规模实用量子计算机之前，还需要取得重大进展。“逻辑量子比特”一词有时用来表示使用一组物理量子比特实现的假设的无错误量子比特。 45其他研究人员指出，所选的用例涉及一个高度专业化的问题，其应用范围超越了演示的限制。此外，通过合理的时间框架，改进经典算法以实现可比结果是可行的（卡莱等（2022）). 相应地，对于量子霸权是否已经被实现，目前尚未达成共识（Kalai等人（2022年））。虽然一些研究团队声称他们已经实现了量子霸权，但许多专家认为实用的量子计算器还离我们许多年，有些人甚至认为它可能永远无法实现（Dyakonov（2018年））。根据对37位全球量子计算领先专家的调查，Mosca和Piani（2023年）估计，在5至30年内可能会出现具有密码学相关性的量子计算器。对回复的“乐观”观点表明，在5年内具有密码学相关性的量子计算器的可能性为11%（2022年为6%），在10年内的可能性为31%（2022年为27%）。即使在“悲观”场景下，预计在未来15年内出现破坏性量子威胁的可能性为33%。 在理论上，如果没有时间和计算限制，任何可通过量子计算机（QC）解决的问题也可以通过经典计算机解决，任何可通过经典计算机解决的问题也可以由未来的大型量子计算机（QCs）解决（Nielsen and Chuang (2010)）。然而，由于特定的计算方法，某些问题使用量子计算机解决要快得多。虽然理论上这些问题可以通过经典计算机解决，但即使使用今天最大的超级计算机，也需要非常长的计算时间，而量子计算机可以在合理的时间内解决这些问题。量子算法是一个研究领域，专注于这些问题以及它们将由足够大的未来量子计算机如何解决。 在文献中已经出现了多个算法族，例如量子傅里叶变换、振幅放大和量子随机游走（Montanaro (2016)）。特定子类算法结合了量子计算和经典计算，并计划用于混合计算环境。鉴于量子计算机仍处于实验阶段，大部分这项工作目前都是理论性的。这些算法要么仅以数学方式描述而尚未实现，或者它们在模拟量子计算机上进行测试，而这些模拟量子计算机并不能提供未来实际实现所承诺的量子加速。 3. 量子计算在金融系统中的应用 金融体系以其分析、预测和优化中的复杂计算为特征。由于底层问题的高度多维性，今天的超级计算机在处理这些任务的计算复杂性方面可能存在困难。量子计算凭借其处理大量解状态并高效执行复杂计算的能力，为解决这些挑战带来了巨大的希望。实际上，金融预计将成为首批从量子计算中获益的行业之一（Ménard et al (2020)，Pistoia et al (2021)）。因此，对金融领域应用的兴趣日益增长，如第3图所示，该领域的出