量子科技在商業(yè)銀行的應(yīng)用

吳永飛 王彥博 王秋實 施巍

導(dǎo)語：習(xí)近平總書記在2020年10月16日主持中共中央政治局第24次集體學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)：“要充分認(rèn)識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。”有研究表明，量子科技具有巨大的應(yīng)用價值和前景，并且在國家政策護(hù)航下，未來量子科技市場規(guī)模將突破千億元級別。FinTech時代，科技已成為商業(yè)銀行的核心能力，在眾多新興精尖技術(shù)中，量子計算由于其潛在的超越經(jīng)典計算的強(qiáng)大算力，在商業(yè)銀行應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。

人工智能時代，國有商業(yè)銀行、股份制商業(yè)銀行、城商行和互聯(lián)網(wǎng)銀行均開啟了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工作，經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)被廣泛應(yīng)用于銀行的營銷、授信、風(fēng)控、運(yùn)營和反洗錢等核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域。近年來大量實踐表明，許多機(jī)器學(xué)習(xí)算法， 如決策樹、邏輯回歸、樸素貝葉斯、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，在商業(yè)銀行實際問題的處理上表現(xiàn)出比傳統(tǒng)統(tǒng)計模型更好的性能，通過算法可以使銀行的產(chǎn)品創(chuàng)新更迅速、營銷目標(biāo)更精準(zhǔn)、客戶服務(wù)更貼心、業(yè)務(wù)運(yùn)營更高效、風(fēng)險管理更全面、財務(wù)報告更準(zhǔn)確。

然而，銀行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心資源是大數(shù)據(jù)，銀行金融服務(wù)的競爭力是響應(yīng)速度。但是，隨著大數(shù)據(jù)近年來呈現(xiàn)爆炸式增長，經(jīng)典計算的能力瓶頸會隨著數(shù)據(jù)體量的急劇增長而暴露，未來將可能對金融科技發(fā)展產(chǎn)生阻礙。量子計算具有遠(yuǎn)超經(jīng)典計算資源的算力優(yōu)勢，能夠提升商業(yè)銀行智能金融服務(wù)的數(shù)字化水平和響應(yīng)速度。利用量子算法處理經(jīng)典問題，稱為“量子增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)”。有研究表明，量子增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)具有處理速度快、所需數(shù)據(jù)量更小、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點。

量子科技的發(fā)展歷程

許多研究者已經(jīng)在量子算法上開展了相關(guān)研究。最早的是1994年，麻省理工學(xué)院貝爾實驗室彼得·舒爾（Peter Shor）面向大整數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解提出Shor算法，理論上可以在100秒之內(nèi)破解一個2048比特強(qiáng)度的RSA密鑰，而使用經(jīng)典計算機(jī)則可能需要10億年。兩年后的1996年，同在貝爾實驗室的格羅弗（Lov Grover）提出了Grover搜索算法，可以在大約2128次迭代內(nèi)窮舉破解一個256比特的密鑰，這較經(jīng)典計算機(jī)有了平方級別的加速。

關(guān)于量子神經(jīng)網(wǎng)的研究可以追溯到1995年，卡克（Subhash C. Kak）提出了量子神經(jīng)計算的概念;隨后，1996年，貝爾曼（E.C. Behrman）提出了一種基于量子點的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型; 同年，托特（Geza Toth）研究了量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);1998年， 文圖拉（Da n Ve n t u ra）研究了量子疊加態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);2000 年，松井（Nobuyuki Matsui）研究了量子門電路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 2006年，周日貴研究了量子感知機(jī);2014年，舒爾德（Maria Schuld）研究了由量子隨機(jī)行走構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，大多數(shù)量子算法研究僅停留于理論方面，應(yīng)用量子算法解決實際問題的案例屈指可數(shù)，在商業(yè)銀行領(lǐng)域應(yīng)用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決實際問題尚屬空白。

2020年，商業(yè)銀行ATM機(jī)具的使用率因受到移動支付的沖擊而出現(xiàn)了大量的撤機(jī)現(xiàn)象，全國范圍內(nèi)ATM機(jī)具減少了4萬余臺。在此背景下，商業(yè)銀行需要精準(zhǔn)地篩選出效能差、使用率低的機(jī)具設(shè)備，并進(jìn)行撤機(jī)，以縮減成本。本文以國內(nèi)某股份制商業(yè)銀行ATM業(yè)務(wù)智能化決策問題為例，通過構(gòu)建量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型對ATM機(jī)具進(jìn)行有效識別，識別結(jié)果作為ATM機(jī)具裁撤的重要依據(jù)，為商業(yè)銀行金融服務(wù)和金融管理提供智能化、量子化的決策支持，同時為量子科技在商業(yè)銀行領(lǐng)域的應(yīng)用實踐進(jìn)行有益探索。

信息科技理論基礎(chǔ)

經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)時代的到來，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一種挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律信息的有效工具。對于機(jī)器學(xué)習(xí)模型，根據(jù)特征和標(biāo)簽的已知性，主要分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)（Supe rvised-learning）和無監(jiān)督學(xué)習(xí)（Unsupervised-learning）。其中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一類應(yīng)用最為廣泛的有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，它通過多層神經(jīng)元，一步步提取數(shù)據(jù)之間的特征，挖掘出數(shù)據(jù)內(nèi)部的規(guī)律?，F(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等方面有著很強(qiáng)的優(yōu)勢;而對于數(shù)據(jù)挖掘分類問題，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種廣泛使用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)，通過誤差反向傳播算法進(jìn)行訓(xùn)練，最早由魯姆哈特（David Rumelhart）和麥克萊蘭（James McClelland）于1986年提出。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱藏層和輸出層三個部分，能夠?qū)W習(xí)大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，且這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程無需事前揭示。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是通過反向傳播算法來更新各結(jié)點之間的權(quán)重，使得網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果逼近期望結(jié)果，其主要的學(xué)習(xí)過程大致可以分為正向傳播、反向傳播和學(xué)習(xí)收斂三個部分。

量子計算機(jī)

量子計算機(jī)的設(shè)計主要遵循量子力學(xué)規(guī)律，量子疊加態(tài)的存在使其具有天然的并行計算能力。2000年前后，IBM首席科學(xué)家迪文森佐（David Divincenzo）給出了制造量子計算機(jī)所需要的五大要素，即量子比特的初始化能力、可控能力、擴(kuò)展能力、穩(wěn)定能力和被測量能力?；谏鲜龌疽?，針對量子計算機(jī)實現(xiàn)的物理系統(tǒng)涌現(xiàn)出了大量的研究方案，如超導(dǎo)電路方案、離子阱方案、光子實現(xiàn)方案、核磁共振方案等。

超導(dǎo)電路量子計算利用約瑟夫森結(jié)在超低溫下形成的分立能級作為量子比特，主要有相位量子比特、磁通量子比特和電荷量子比特三種形式，約瑟夫森結(jié)具有“超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體” 的三明治結(jié)構(gòu)。離子阱技術(shù)的原理是利用電荷與磁場間的作用力來囚禁離子，并利用受限離子的兩個能級作為量子比特，通過激光來實現(xiàn)量子門的操作。核磁共振量子計算機(jī)主要利用核自旋在強(qiáng)磁場下的劈裂能級作為量子比特，并通過電磁波操控核自旋實現(xiàn)量子門操作，該技術(shù)的優(yōu)點之一在于它可以在常溫常壓下進(jìn)行工作。

量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

本文所使用的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種參數(shù)化的量子線路，其訓(xùn)練過程主要是利用量子線路不斷預(yù)測類別標(biāo)簽并計算損失函數(shù)，而后使用梯度下降、反向傳播的方法得到最小化損失函數(shù)下的最優(yōu)量子線路參數(shù)。量子線路主要是由量子門組成的，而量子門是以矩陣的形式表示的，可以對由經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為量子態(tài)的輸入向量進(jìn)行計算并輸出預(yù)測結(jié)果;同時，基于反向傳播可以對量子門的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這一點保證了量子線路能夠充分借鑒經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既可以用來運(yùn)行量子變分算法，如用來尋找哈密頓量的基態(tài);亦可以用來處理與經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相同的目標(biāo)問題。量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在較大規(guī)模的量子計算機(jī)上相比經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以處理更多的數(shù)據(jù)，并有更強(qiáng)的模型表達(dá)能力。

量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實證分析

數(shù)據(jù)來源與特征參數(shù)選擇

本文選取了國內(nèi)某股份制商業(yè)銀行2243臺ATM機(jī)具作為數(shù)據(jù)樣本，范圍覆蓋全國31個省、直轄市、自治區(qū)，型號包括取款機(jī)、存取款一體機(jī)和循環(huán)機(jī)。數(shù)據(jù)來源為ATM機(jī)具原始監(jiān)控報表數(shù)據(jù)和流水日志，數(shù)據(jù)時間范圍跨度為兩年。

為構(gòu)建智能預(yù)測模型，本文選定特征參數(shù)，通過取均值、中位數(shù)、方差等統(tǒng)計學(xué)方法對報表數(shù)據(jù)進(jìn)行計算加工，最終得出4 個特征參數(shù)，包括故障次數(shù)、滿鈔時間、離柜率趨勢和日均繁忙時間。同時，選定“撤機(jī)”與“不撤機(jī)”作為輸出標(biāo)簽，該標(biāo)簽為相關(guān)業(yè)務(wù)管理部門根據(jù)ATM機(jī)具所在地區(qū)綜合環(huán)境、成本、運(yùn)行情況等要素，通過專家評分，最終給出的一套貼合業(yè)務(wù)實際的是否撤機(jī)標(biāo)識。

數(shù)據(jù)的量子化轉(zhuǎn)換

在使用量子計算機(jī)處理經(jīng)典數(shù)據(jù)時，首先需要將經(jīng)典數(shù)據(jù)編碼為希爾伯特空間中的量子狀態(tài)，這個過程通常被稱為量子嵌入或量子編碼。目前有三種常用的量子嵌入方法：一是基礎(chǔ)嵌入方法，即先將經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，再將轉(zhuǎn)化后的整數(shù)表示為二進(jìn)制字符串，最后將二進(jìn)制字符串依次表示為量子子系統(tǒng)的狀態(tài)。這種方法的優(yōu)點是量子線路短，缺點則是需要大量的量子比特。二是振幅嵌入方法，即將歸一化后的經(jīng)典數(shù)據(jù)作為量子狀態(tài)的振幅。由于N個量子比特有2N個振幅，因此振幅嵌入可以編碼指數(shù)級的經(jīng)典信息;然而該方法需要很深的量子線路，在當(dāng)前的量子設(shè)備上不能很好地實現(xiàn)。三是變分嵌入方法，即將經(jīng)典數(shù)據(jù)作為量子線路的參數(shù)，使用固定的變分線路編碼數(shù)據(jù)。該方法在現(xiàn)有的量子計算機(jī)上可以較為有效地使用。

本文采用了變分嵌入方法，先將數(shù)據(jù)歸一化處理到[0，π/2] 區(qū)間，再作為量子線路的部分參數(shù)進(jìn)行量子寫入，接下來則可以結(jié)合所設(shè)計的量子線路對線路上的其他參數(shù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。

量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算過程與結(jié)果

本文使用了2量子比特的核磁共振量子計算機(jī)。用于實驗的機(jī)器單比特門保真度高于99%，雙比特門保真度高于98%，可支持任意角度門操作，也可以實現(xiàn)任意2比特的量子算法，適用于量子分類算法應(yīng)用。

想要將4個特征參數(shù)下的經(jīng)典數(shù)據(jù)嵌入到2個量子比特，先要將每一個特征下的經(jīng)典數(shù)據(jù)線性歸一化到[0，1]區(qū)間，再使用arcsin函數(shù)將經(jīng)典數(shù)據(jù)映射到[0，π/2]區(qū)間，結(jié)合中心量子線路，優(yōu)化參數(shù)并建立一個0～1的分類模型，數(shù)據(jù)嵌入的量子線路和中心量子線路設(shè)計如圖1、圖2所示。

在全部數(shù)據(jù)樣本中，選擇三分之二的數(shù)據(jù)樣本（1496）作為訓(xùn)練集，另外三分之一的數(shù)據(jù)樣本（747）作為測試集;訓(xùn)練的損失函數(shù)為鉸鏈損失，訓(xùn)練的時期（epoch）為4，批大小為180。量子比特通過量子門的操作后，測量了中心量子線路最后的量子位在Z軸上的投影，由于核磁共振量子計算機(jī)針對一個數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行觀測的原子數(shù)量是萬億以上的，所以一次測量的結(jié)果就是萬億次對樣本預(yù)測結(jié)果的平均值，最終根據(jù)平均值得到標(biāo)簽預(yù)測結(jié)果。

通過數(shù)據(jù)實驗， 觀測第二個量子比特的最終狀態(tài)， 可以得出結(jié)果： 準(zhǔn)確率A c c u r a c y = （ T P + T N ） / （TP+TN+FP+FN）=75.57%。利用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對商業(yè)銀行ATM機(jī)具的是否撤機(jī)進(jìn)行判斷，本文設(shè)計的2比特量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型達(dá)到了預(yù)期效果。

結(jié)語

量子金融科技時代，量子算法獨(dú)有的優(yōu)勢會在一定程度上彌補(bǔ)經(jīng)典算法的缺陷，并為商業(yè)銀行帶來巨大價值。本文將量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)銀行ATM機(jī)具管理的智能決策問題上， 準(zhǔn)確地識別了效能較差的ATM機(jī)具設(shè)備，對銀行的智能決策提供了依據(jù)。未來，隨著量子計算機(jī)量子比特數(shù)目的不斷增加，量子算法將進(jìn)一步與經(jīng)典人工智能算法相結(jié)合，并在大數(shù)據(jù)的支持下，為商業(yè)銀行的金融科技發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來更大價值。

王彥博（wangyanbo@lyzdfintech.com）、王秋實（qwangcr@connect. ust.hk）為本文共同通訊作者。龍盈智達(dá)（北京）科技有限公司大數(shù)據(jù)中心楊璇、史杰、徐奇、宮雅菲，深圳量旋科技有限公司項金根、鄒均庭對本文亦有貢獻(xiàn)。感謝香港科技大學(xué)曾蓓教授，曹晨風(fēng)的有益討論。

（作者單位：華夏銀行股份有限公司、龍盈智達(dá)（北京）科技?有限公司、香港科技大學(xué)物理系、深圳量旋科技有限公司）

商業(yè)銀行月度資訊

《網(wǎng)絡(luò)小額貸款業(yè)務(wù)管理暫行辦法（征求意見稿）》發(fā)布

11月2日，為規(guī)范小額貸款公司網(wǎng)絡(luò)小額貸款業(yè)務(wù)，統(tǒng)一監(jiān)管規(guī)則和經(jīng)營規(guī)則，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)小額貸款業(yè)務(wù)規(guī)范健康發(fā)展，中國銀保監(jiān)會、中國人民銀行就《網(wǎng)絡(luò)小額貸款業(yè)務(wù)管理暫行辦法（征求意見稿）》公開征求意見。

央行報告：信托業(yè)風(fēng)險存外溢可能

11月6日，央行發(fā)布的《中國金融穩(wěn)定報告（2020）》首次將信托業(yè)以專題形式呈現(xiàn)，分析了其風(fēng)險成因并給出發(fā)展建議。報告稱“信托業(yè)風(fēng)險暴露加快，存在外溢可能”，信托業(yè)強(qiáng)監(jiān)管、嚴(yán)排查使行業(yè)風(fēng)險暴露更為充分。

央行再次公布銀行壓力測試結(jié)果

11月6日，央行再次公布銀行壓力測試結(jié)果，測試銀行數(shù)量由1171家增至1550家，測試項目由兩項擴(kuò)展至三項。宏觀情景壓力測試結(jié)果顯示，在輕度、中度、極端沖擊下，2020年末分別有10家、13家、21家銀行未通過測試。

財政部下達(dá)2000億元專項債化解中小銀行風(fēng)險

11月11日，財政部表示，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，已下達(dá)用于支持化解地方中小銀行風(fēng)險的新增專項債券額度2000億元，目前分地區(qū)額度已全部下達(dá)。

銀保監(jiān)會原則同意包商銀行進(jìn)入破產(chǎn)程序

11月12日，銀保監(jiān)會在《關(guān)于包商銀行股份有限公司破產(chǎn)申請事項的請示》（包商接管組〔2020〕26號）中批復(fù)：“原則同意包商銀行進(jìn)入破產(chǎn)程序。”

部分銀行拖延、拒絕為小微企業(yè)開戶，央行下發(fā)風(fēng)險提示

11月15日，央行辦公廳日前向央行上?？偛?、各分行、營管部、省會城市中心支行等下發(fā)《積極穩(wěn)妥解決企業(yè)留言問題 切實提升企業(yè)銀行賬戶服務(wù)質(zhì)效》的風(fēng)險提示，并要求轉(zhuǎn)發(fā)至轄內(nèi)銀行機(jī)構(gòu)。

浙商銀行區(qū)塊鏈平臺通過工信部電子標(biāo)準(zhǔn)院所有功能測試

11月20日，浙商銀行區(qū)塊鏈平臺完成與國產(chǎn)操作系統(tǒng)、服務(wù)器、云平臺等軟硬件的全面適配，并成為全國業(yè)內(nèi)首個通過中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院區(qū)塊鏈專項測試全部用例的機(jī)構(gòu)。

上海農(nóng)商銀行IPO成功過會

11月26日，中國證券監(jiān)督管理委員會審核通過了上海農(nóng)村商業(yè)銀行股份有限公司的首次公開發(fā)行股份的申請。作為2020年第一家過會的農(nóng)商行，上海農(nóng)商銀行也即將成為A股第9家上市農(nóng)商行。