Mercado de Schrodinger: o que a internet quântica pode significar para o sistema financeiro

Ed Colina

Outrora material de ficção científica, as tecnologias quânticas estão avançando rapidamente. Os computadores quânticos individuais estão encontrando uma variedade de aplicações, impulsionadas principalmente pelas imensas acelerações que oferecem em relação aos computadores normais. 

E em breve a nascente Internet quântica deverá conectar esses computadores isolados. Esta postagem do blog começa a refletir sobre o que esse novo mundo quântico interconectado significa para o sistema financeiro. Como poderiam ser os primeiros “mercados quânticos”? Quais algoritmos e infraestrutura eles podem aproveitar? E onde poderão estar as diferenças em relação aos mercados clássicos?

O que é computação quântica?

No início do século 20, os físicos (os do filme de Oppenheimer ) lutaram com uma nova disciplina, a física quântica, que descreve o estranho comportamento dos átomos e dos elétrons e o mundo dos muito pequenos. A superposição – que um sistema quântico pode estar em muitos estados ao mesmo tempo – é uma diferença fundamental para o mundo ao qual estamos acostumados e é a diferença entre computadores quânticos e normais, “clássicos”, nos quais vou me concentrar aqui.

Como aqueles físicos, podemos usar um experimento mental para entender a superposição: imagine que você joga uma moeda e não olha para ela quando ela cai. Estamos acostumados a pensar que se você olhar e ver “cara”, é porque ele pousou em “cara” e ficou ali como “cabeça” até que você olhou para ele. No mundo quântico, se olharmos e vermos “cara”, em vez disso dizemos que estava numa superposição de “cara” e “coroa” ao mesmo tempo, até que olhamos e “desmoronamos a superposição” em “cara”.

Vamos agora imaginar o lançamento de um maior número de moedas (Figura 1). Comece com dois. Até olharmos, eles estão em uma superposição quântica de quatro (2×2=2 2 ) estados combinados possíveis: cara-cara, cara-coroa, coroa-cara e coroa-coroa. (Em um mundo clássico, eles não estão em superposição, mas apenas em um estado combinado quando pousam, cara-coroa, por exemplo, esperando que olhemos.) A adição de cada nova moeda duplica o número de estados quânticos, portanto, com 10 moedas há são 2x2x2x2x2x2x2x2x2x2 = 2 10 = 1.024, e com 100 há 2 100 , o que equivale a cerca de 1 milhão de trilhão de trilhão.

Figura 1: Lançamento de moedas clássicas e quânticas

Notas: Quando pousam, as moedas clássicas ficam em um único estado esperando para serem observadas; as moedas quânticas estão em uma superposição de todos os estados possíveis, que só se resolve em um único estado quando as observamos mais tarde. Os computadores quânticos usam essa superposição para seus cálculos.

Um século depois, os computadores quânticos tornaram esse experimento mental uma realidade. As moedas são substituídas por 'qubits' (bits quânticos de informação como os 0 e 1 nos computadores clássicos) implementados usando íons frios , circuitos supercondutores ou fótons de luz . 

Um computador quântico então atribui um cálculo a cada um desses estados sobrepostos, de modo que com 100 qubits ele pode realizar 1 milhão de trilhão de trilhões de cálculos de uma só vez (um computador clássico faz os cálculos alguns de cada vez, o que obviamente leva muito mais tempo). 

Ou, pensando de outra forma, pode considerar todos os resultados possíveis de 100 lançamentos de moeda ao mesmo tempo e pode escolher aqueles que têm certas características – uma certa série de caras e coroas, ou aqueles com mais coroas nos últimos 50 lançamentos. se tivessem mais cabeças nas primeiras 50, por exemplo.

No entanto, os computadores quânticos atuais têm problemas. Partes do computador e do ambiente circundante acidentalmente “espreitam” a superposição antes de querermos olhar corretamente, interrompendo-a e corrompendo a resposta ao cálculo. E eles são muito limitados no número de qubits. 

Juntos, esses problemas fazem com que os computadores quânticos atuais sejam chamados de 'quânticos ruidosos de escala intermediária' (NISQ). Eles também são muito caros para comprar e operar e, portanto, são esmagadoramente acessados ​​remotamente através da nuvem, sendo cada computador compartilhado entre muitos usuários. Juntos, esses fatores limitam sua vantagem em relação a computadores clássicos baratos, livres de erros e de grande escala.

Apesar destes problemas, os computadores quânticos são usados, agora, para uma variedade de problemas onde o NISQ é suficiente (alguns exemplos específicos em finanças são mencionados abaixo). Eles estão melhorando continuamente, impulsionados por esses casos de uso. E há possibilidades teóricas impressionantes quando, e se, computadores quânticos pós-NISQ (suficientemente silenciosos ou tolerantes a falhas e em grande escala) puderem ser realizados .

Redes quânticas nascentes também existem e são fundamentais para os mercados quânticos que discutirei a seguir. A Internet permitiu formas completamente novas de usar os computadores muito limitados (para os padrões atuais) da década de 1980. De forma análoga, as redes quânticas conectarão os computadores NISQ atuais e permitirão casos de uso em diferentes direções daqueles que exigem computação pós-NISQ comercialmente viável.

A computação quântica também pode ser usada para comunicação e computação privada. Embora o uso de computadores quânticos pós-NISQ para quebrar os esquemas de criptografia existentes seja citado como um risco importante em torno da computação quântica, as próprias comunicações quânticas são muito seguras (já que espiar o estado quântico enviado o interrompe, permitindo que bisbilhoteiros sejam detectados). 

Além disso, Blind Quantum Computation e ideias semelhantes permitem que um usuário detecte qualquer espionagem ou cálculo mal executado ao usar um computador remoto, como ao usar a nuvem. Ao permitir que contrapartes fisicamente remotas utilizem computadores próximos uns dos outros, esta nuvem quântica confiável reduziria significativamente as barreiras técnicas à formação de redes quânticas.

Dois exemplos de mercados quânticos

Darei agora dois exemplos de possíveis partes de um mercado quântico de curto prazo – elas extraem blocos de construção e motivação comercial de processos e problemas existentes, mas não funcionariam em escala sem um sistema quântico interligado.

Opções quânticas para mercados mais completos

Um mercado completo é um mercado onde os ativos podem ser precificados e os riscos segurados em todos os estados do mundo. Mercados mais completos deveriam ser mais eficientes. Na verdade, o desenvolvimento de opções e outros derivados financeiros pretendia tornar os mercados mais completos , e existe um apetite contínuo por instrumentos mais exóticos, mesmo com os custos e fricções associados.

Os modelos internos das empresas financeiras estão a tornar-se mais avançados e “completos”, capazes de considerar e avaliar mais estados do mundo e mais combinações possíveis de eventos. Mas ainda são usados ​​para informar posições sobre o número relativamente pequeno de coisas negociáveis ​​no actual mercado “menos completo”. Os enormes fluxos de informação que as redes quânticas permitem permitiriam às empresas comunicar as suas opiniões sobre qualquer combinação complexa dos eventos que estão a considerar.

Além disso, os modelos internos das empresas são alvos de curto prazo para o uso de computadores quânticos, uma vez que podem considerar todas as combinações possíveis de alguns eventos (a superposição de todas as séries possíveis de lançamentos de moeda) muito mais rapidamente do que os modelos clássicos. 

A ligação destes novos modelos quânticos através de uma rede quântica permitiria sobreposições que codificam as opiniões das empresas sobre quaisquer combinações possíveis de eventos a serem precificadas por outras empresas como “opções quânticas” num mercado ainda mais completo e necessariamente totalmente quântico.

Permitindo sistemas de pagamentos inovadores e eficientes

Trabalhos recentes mostraram que os computadores NISQ podem resolver problemas de agendamento existentes e complexos em sistemas de pagamentos de alto valor (que liquidam transações entre grandes instituições financeiras) melhor do que algoritmos clássicos sob restrições do mundo real.

No entanto, as redes quânticas permitiriam uma mudança fundamental no significado de um pagamento, permitindo que as contrapartes comunicassem estratégias sofisticadas e condicionais ao sistema de pagamentos. Imagine que, em vez de simplesmente dizer “comprar”, uma parte possa dizer “compre, se…” determinadas condições noutros pagamentos ou eventos simultâneos forem cumpridas – como cadeias quando casas são compradas e vendidas, mas muito mais complexas e inter-relacionadas. Um computador quântico permitiria então resolver o problema de qual combinação de instruções deveria prosseguir.

Contratos inteligentes , empréstimos instantâneos em criptomoedas/DeFi e discussões em torno de pagamentos condicionais em moedas digitais mostram a crescente demanda por essas facilidades, enquanto a teoria dos jogos quânticos destaca os novos comportamentos que emergem quando estratégias quânticas são combinadas dessa forma, mesmo em cenários mais simples. ups.

Discussão

Estes exemplos, baseados em aplicações existentes que envolvem a consideração e a avaliação de combinações complexas de eventos, são áreas naturais para a adoção precoce da computação quântica. A perfeição não é necessária e mesmo os computadores NISQ podem gerar valor, inicialmente otimizando as interações através de um mercado clássico.

No entanto, a introdução de redes quânticas entre esses computadores permitiria um “mercado quântico” e daria uma saída para o seu enorme poder computacional. Em vez de ficarem encurralados, poderiam então interagir directamente uns com os outros através de uma infra-estrutura de mercado quântico que permitisse os tipos de estratégias complexas e condicionais discutidas acima.

No curto prazo, a adopção de tecnologias quânticas poderá muito bem ser impulsionada pelos benefícios para as instituições individuais deste mercado mais “completo”, incluindo a capacidade de garantir eficientemente o risco e explorar a informação. Comunicações quânticas inerentemente seguras e computação em nuvem confiável podem reduzir as barreiras de entrada, permitindo o uso comercial de hardware compartilhado e possibilitando um ecossistema Fintech circundante.

À medida que os mercados quânticos se desenvolvem, haverá espaço para mudanças de alto nível na forma como o mercado funciona. Inicialmente, estes poderão basear-se directamente na nova infra-estrutura do mercado financeiro (com a sua privacidade e verificabilidade permitindo mercados quânticos descentralizados tanto no lado retalhista como para as instituições ) e na capacidade dos participantes de simplesmente expressar e avaliar instrumentos financeiros complexos. Os efeitos de segunda ordem poderiam envolver o uso de aprendizagem automática quântica e inteligência artificial (ML e IA) nos dados quânticos que os novos mercados produzem.

No geral, isto começa a pintar um quadro muito diferente de um mercado clássico: enormes quantidades de informação e fluxo de computação em sistemas totalmente quânticos, incorporados num novo cenário comercial de hardware e fornecedores de serviços. Esta imagem, e a sua trajetória, tornar-se-á mais clara à medida que os computadores quânticos, as redes e outras tecnologias continuarem a sua viagem da ficção científica à realidade.