Kwantumcomputer en klassieke chip lossen samen beleggingspuzzel op

Een team van onderzoekers van JPMorgan Chase, Amazon Web Services, vermogensbeheerder 55 North Management en kwantumbedrijf Quantinuum heeft een nieuwe manier bedacht om een lastig financieel rekenprobleem aan te pakken: het samenstellen van een goed gespreide beleggingsportefeuille. Ze lieten een kwantumcomputer samenwerken met gewone computers en boekten daarmee betere resultaten dan met een kwantumcomputer alleen. Het onderzoek is gepubliceerd op preprint-server arXiv.

Welke aandelen combineer je het beste?

Beleggers willen aandelen kiezen die niet allemaal tegelijk stijgen of dalen, zodat verliezen beperkt blijven. Dat spreidingsprobleem is wiskundig gezien enorm complex: hoe meer aandelen er in de analyse zitten, hoe sneller het aantal mogelijke combinaties oploopt. De onderzoekers vertaalden het probleem naar een bekend vraagstuk uit de wiskunde, waarbij aandelen worden voorgesteld als punten in een netwerk en sterk samenhangende aandelen met elkaar zijn verbonden. Het doel: de grootste groep aandelen vinden die onderling zo min mogelijk samenhangt.

Kwantumcomputer als hulpje, niet als probleemoplosser

Voor dit soort optimalisatieproblemen wordt vaak gekeken naar QAOA, een populair kwantumalgoritme. Het probleem is dat QAOA bij grotere vraagstukken steeds minder vaak de beste oplossing vindt. De onderzoekers draaiden die zwakte om met een nieuwe hybride methode, qReduMIS genaamd. In plaats van de kwantumcomputer de volledige puzzel te laten oplossen, gebruikten ze de metingen van het apparaat alleen om te bepalen welke aandelen hoogstwaarschijnlijk in de beste portefeuille thuishoren. Die aandelen worden vastgezet, waarna gewone software de rest van het probleem vereenvoudigt. Dit proces herhaalt zich tot de puzzel is opgelost.

De berekeningen liepen deels op Quantinuums kwantumcomputer Helios, die 98 qubits telt en waarbij elke qubit rechtstreeks met elke andere qubit kan communiceren. Dat is belangrijk omdat financiële netwerken dicht verbonden zijn: veel aandelen hangen met veel andere aandelen samen. Voor de grootste testcases waren tot 78 qubits en meer dan duizend zogeheten two-qubit gates nodig, bewerkingen waarbij twee qubits met elkaar interacteren. Daarmee behoort deze proef tot de grootste praktische kwantumdemonstraties tot nu toe.

Resultaten op echte beursdata

De onderzoekers testten hun methode op historische koersdata van vier grote beursindices: de Duitse DAX, de Britse FTSE 100, de Amerikaanse S&P 100 en de Japanse Nikkei 225, met tot 225 aandelen in de grootste dataset. Standaard-QAOA vond bij de twee grootste testcases de beste oplossing niet. De hybride methode deed dat wel: voor de Nikkei 225 lukte dat in 95 procent van de pogingen, voor de S&P 100 in 40 procent. Bij alle vier de indices bleven de gevonden oplossingen bovendien dicht bij het wiskundig optimum.

Extra berekeningen op een kwantumsimulator van Quantinuum lieten zien dat de hybride aanpak beter opschaalt dan QAOA alleen: bij grotere problemen bleef de rekentijd relatief beperkt, terwijl QAOA juist minder goede oplossingen gaf naarmate de puzzel groeide. Volgens de onderzoekers is de techniek niet beperkt tot beleggen. Vergelijkbare spreidings- en planningsproblemen komen ook voor in logistiek, productieplanning en telecommunicatienetwerken, gebieden waar dezelfde hybride aanpak mogelijk ook winst kan opleveren.