Al jaren wordt gesproken over de grote belofte van quantumtechnologie. Processoren en algoritmes gebaseerd op de mysterieuze gedragingen van de allerkleinste deeltjes moeten zorgen voor een revolutie op gebieden als kunstmatige intelligentie en patroonherkenning. Waar de kloof tussen business en IT vaak al als problematisch wordt ervaren, is het echter allesbehalve eenvoudig om een notoir ingewikkeld vakgebied als quantummechanica te vertalen naar bruikbare bedrijfstoepassingen. Dit is precies waar Adil Acun zich op richt bij ING. Banken.nl sprak met de gepromoveerde nanofysicus over de mogelijkheden die quantumtechnologie biedt en de uitdagingen die komen kijken bij de adoptie ervan.
“If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics.” Dit citaat – al dan niet terecht toegeschreven aan natuurkundige Richard Feynman – is symbolisch geworden voor de onbegrijpelijkheid die quantummechanica zo berucht maakt. Ook Niels Bohr, een van de grondleggers van de theorie over het gedrag van materie en energie op (sub)atomair niveau, wist de fundamenteel contra-intuïtieve aard van de theorie mooi te verwoorden: “Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.”
Het accepteren van de theorie over de allerkleinste deeltjes vraagt dan ook nogal wat van ons voorstellingsvermogen. Zo kunnen twee elementaire deeltjes met elkaar verstrengeld zijn zodat ze – al zijn ze lichtjaren van elkaar verwijderd – altijd in een gekoppelde toestand verkeren. Daarnaast gedragen elektronen zich door dualiteit zowel als een deeltje als een golf.
Wat ons acceptatievermogen echter nog het meest op de proef stelt is het idee dat er geen waarnemeronafhankelijke werkelijkheid bestaat – dat het onmogelijk is een waarneming te doen zonder dat het waargenomen verschijnsel wordt beïnvloed.
Minuscule deeltjes als atomen en elektronen verkeren niet in één staat totdat ze worden geobserveerd – ze verkeren in meerdere staten tegelijk. Totdat de deeltjes worden gemeten kan enkel worden gesteld dat er een zekere kans is dat het deeltje in staat A of B of enzovoorts is. Pas gedurende de meting wordt een ‘keuze’ gemaakt welke van deze mogelijke staten het deeltje zal aannemen. Het is niet zo dat we tot de meting simpelweg niet weten in welke staat een deeltje verkeert, de keuze is echt nog niet gemaakt.
Dit idee stond Albert Einstein zo tegen dat hij zijn hele leven weigerde het te accepteren, waarbij hij de beroemde woorden “God does not play dice” uitsprak. Bohrs minder beroemde antwoord mag er echter ook zijn: “Einstein, stop telling God what to do.”
Driehoeksverhouding
Terwijl de onbegrijpelijkheid van quantummechanica mooie citaten oplevert en eraan bijdraagt dat het vakgebied flink tot de verbeelding spreekt, zorgt ze ook voor de nodige uitdagingen. Quantumtechnologie kan een revolutie teweeg brengen op gebieden als data-analyse en kunstmatige intelligentie, maar hoe kunnen bedrijven profiteren van deze belofte als bijna niemand er iets van begrijpt?
Dit is de vraag die Adil Acun (30) probeert te beantwoorden bij ING. Na het voltooien van zijn promotietraject in nanofysica, begon hij anderhalf jaar geleden aan zijn missie om quantumtechnologie bij de bank op de kaart te zetten. “Dat is nog niet zo eenvoudig”, begint Acun. “Binnen bedrijven heb je altijd al te maken met de moeilijk te overbruggen kloof tussen business en IT. Nu voegen we daar quantum aan toe, maar de kloof tussen IT en quantum is nog veel groter. Dus je kunt je voorstellen dat dit voor nodige uitdagingen zorgt.”
Om te zorgen dat er geen onoverbrugbare kloof ontstaat tussen de business en quantumtechnologie, zijn Acun en zijn team afgestapt van de traditionele verticale gelaagde benadering, waarin IT wordt voorgesteld als tweede laag onder de businesslaag. “Als quantum daaronder als derde laag wordt toegevoegd staat het veel te ver af van de business”, legt hij uit. “Daarom zijn we gaan kijken hoe we kunnen zorgen dat de drie niet verticaal zijn uitgelijnd, maar samen in een soort driehoeksverhouding zitten. Daarbinnen ontwikkelen we twee strategieën: met de klok mee ga je van business via IT naar quantum, en tegen de klok in van quantum via IT naar business.”
Met de klok mee
De eerste strategie – van business via IT naar quantum – is erop gericht de business kennis te laten maken met de quantumwereld. “De business heeft geen noemenswaardig idee wat quantum is”, aldus Acun. “Daarbij helpt het niet dat er nog nauwelijks use cases zijn van wat quantum kan betekenen voor een bank. Traditioneel vereist het begrijpen van quantum veel hard skills, wiskundig inzicht en abstract denkvermogen. Dat is gewoon niet voor iedereen weggelegd. Daarom pakken wij het anders aan.”
Maar hoe doe je dat, als zelfs natuurkundigen aangeven dat quantummechanica onbegrijpelijk is? “Als je wilt dat iemand zonder wiskundige achtergrond het begrijpt moet je de fysica er gewoon buiten laten. Omdat quantummechanica zo lastig is wordt er heel moeilijk over gedaan, maar de fysica heb je helemaal niet nodig om met quantumtechnologie te kunnen werken. Zelfs binnen de fysica is er een soort van consensus dat we accepteren dat we niet weten hoe het werkt. We weten dat het werkt en op basis daarvan ga je bouwen. Vandaar dat de stellingen van quantummechanica ook postulaten worden genoemd en geen wetten.”
Ondergedompeld
In lijn hiermee, gaat het er bij de eerste strategie om dat de business vertrouwd raakt met de contra-intuïtieve gedragingen van quantumdeeltjes. Men hoeft niet te begrijpen hoe materie zich zo kan gedragen, maar wel weten dat het zich zo gedraagt. Hiervoor werd de hulp ingeschakeld van het Events en Multimedia-team, dat net als het Quantum-team deel uitmaakt van ING’s Technology, Research & Development-afdeling. Het team bouwde verschillende games waarmee mensen spelenderwijs worden ondergedompeld in de vreemde quantumwereld.
“We hebben twee virtual reality-games gemaakt”, vertelt Marlon Sijnesael (23), die vanuit zijn studie Game Development aan de HKU stage loopt binnen het team. “In de eerste beland je in een laboratoriumomgeving en speel je enkele quantummechanische spellen, waarbij je zelf in een atoom zit en dat atoom laat ‘exciteren’, oftewel de elektronen daarbinnen naar een hoger energieniveau brengt. Daarnaast hebben we een game gemaakt waarin je in een wereld terechtkomt waarin de fysica is gebaseerd op quantummechanica. Zo leer je door te ervaren hoe anders alles zich dan gedraagt en wordt het wat minder exotisch. Je moet bijvoorbeeld communiceren met verstrengelde deeltjes van jezelf om puzzels op te lossen.”
“Daarnaast hebben we recent de eerste versie gelanceerd van een webapplicatie waarin je zelf quantumcircuits kunt bouwen”, vervolgt Sijnesael. “Die hebben we al getest op twee events. Daar komen mensen die nog zo goed als niets weten van quantumtechnologie. Na vijf minuten uitleg blijkt dat het iedereen – ook mensen zonder IT-ervaring – lukt om binnen tien minuten de circuits te bouwen, terwijl het een fundamenteel andere manier is om na te denken over logica.”
Tegen de klok in
Middels deze games heeft het team een manier van communiceren gevonden waarmee de kloof tussen business, IT en quantum kan worden overbrugd, zodat het mogelijk wordt op basis van quantumtechnologie nieuwe oplossingen te ontwikkelen die de business ook daadwerkelijk kan en wil gebruiken. “Dat is onze tweede strategie, de route van quantum naar IT naar business”, legt Acun uit. “We hebben nu een eerste quantumalgoritme ontwikkeld. Dat blijven we optimaliseren, waarbij we ook de feedback meenemen die we krijgen vanuit de games.”
Middels games heeft het team een manier van communiceren gevonden waarmee de kloof tussen business, IT en quantum kan worden overbrugd.
Op basis van dit algoritme wil het team al op korte termijn de eerste producten opleveren. “Deze moeten meteen al zorgen voor een kleine verbetering wanneer je ze draait op een klassieke computer. Doordat je bepaalde zeer specifieke problemen beter kunt uitdrukken in de vorm van een quantumprobleem hoef je niet te wachten op een quantumcomputer. We zijn nu met mensen van onze Quantitative Finance-afdeling aan het kijken welke data van hun we kunnen gebruiken om onze modellen voor patroonherkenning – zogeheten ‘hidden markov models’ – te testen.”
Waar de eerste quantumalgoritmes als proof of concept zullen draaien op traditionele binaire computers, zal ING op termijn wel gebruikmaken van quantumcomputers. Omdat deze voorlopig nog zijn voorbehouden aan techgiganten als Google, IBM en Microsoft, zal dit gaan via de cloud.
Van 1 miljoen naar twintig stappen
De vraag blijft natuurlijk wat quantum concreet oplevert. Acun legt uit dat quantumtechnologie niet geschikt is voor elke toepassing, maar binnen bepaalde gebieden een enorm potentieel herbergt: “Dan heb ik het over bijna alles wat met data-analyse, modellering en optimalisatie te maken heeft.”
Hij illustreert dit potentieel met enkele voorbeelden. “Stel je voor dat je een lijst hebt van 1 miljoen namen en ik geef je alleen een telefoonnummer. Je moet erachter komen welke naam erbij hoort zonder het nummer te bellen. In de complexiteitstheorie heb je daar 1 miljoen stappen voor nodig. Daarna weet je – in het ‘worst case scenario’ – of je de naam hebt gevonden of niet. Met quantummechanica kun je dat reduceren tot 1.000, en je hebt zelfs algoritmes die het doen in twintig stappen. Dan heb je natuurlijk gigantisch veel winst geboekt.”
‘Hidden markov models’ kunnen worden ingezet om uit waarneembare verschijnselen andere, verborgen, informatie af te leiden. Deze informatie kan vervolgens worden ingezet voor toepassingen als spraak- en patroonherkenning. “Dergelijke dingen kunnen binnen de quantummechanica heel goed worden gerepresenteerd. Stel, de kans is groot dat iemand vrolijk is als het mooi weer is en de kans is groot dat diegene verdrietig is als het regent. Kun je dan aan de hand van die zichtbare emotie afleiden wat voor weer het was? Op eenzelfde manier kun je aan de hand van waarneembare verschijnselen wellicht periodes vinden voor hoge of lage rente of beursopeningen, en voorspellen hoelang dergelijke periodes aanhouden.”
Binnen een bank kan met quantumalgoritmes ook het betalingsverkeer worden geoptimaliseerd. “Door de invoering van Instant Payments moeten banken transacties binnen enkele seconden verwerken. Dat kan betekenen dat je 4.000 transacties per seconde moet verwerken. Die moet je door jouw IT-infrastructuur zien te loodsen. Dan is het heel waardevol te weten hoe dat het beste kan. Welke node is vrij en welke niet? Welke paden kun je dan het beste creëren zodat het zo vloeiend mogelijk gaat? Met een normale computer gaat dit vrij traag zodat je niet altijd de beste keuze krijgt, maar een quantumcomputer kan dit realtime bijhouden en optimaliseren.”
Academische samenwerking
Het is de bedoeling dat Acun en zijn team volgend jaar twee concrete use cases in werking hebben, één met een ‘hidden markov model’ en één rond machine learning. Aan dat tweede project begint het team aan de start van het nieuwe jaar. “Daarbij werken we samen met enkele universiteiten en andere onderzoeksinstituten binnen en buiten Nederland”, vertelt Acun. “Voor deze vorm van kunstmatige intelligentie gaan we een nieuw algoritme creëren dat zowel toepasbaar is op financiën als op deeltjesfysica.”
“We opereren echt in de voorhoede op het gebied van quantum, zowel bij ING als op de Nederlandse universiteiten."
Acun hecht veel waarde aan de samenwerking met de academische wereld. Deze wordt dan ook voortdurend opgezocht in de executie van beide strategieën – zowel die van business naar IT naar quantum, als die van quantum naar IT naar business. “We opereren echt in de voorhoede op het gebied van quantum, zowel bij ING als op de Nederlandse universiteiten. Er ontstaat hier zoveel nieuwe expertise dat het belangrijk is om al die kennis die we ontwikkelen te itereren met hoogleraren en andere academici.”
Ook het betrekken van studenten speelt een belangrijke rol binnen deze samenwerking. “De stagiairs die we aantrekken, zoals Marlon, doen hier geweldige ervaring op. Daarnaast brengen ze ons natuurlijk ook veel. Naast dat ze een waardevolle bijdrage leveren aan onze projecten, biedt het ons de kans om jonge talenten op een leuke manier kennis te laten maken met ING en aan ons te binden. ING profileert zich nadrukkelijk als innovatie-gedreven bank. Daarvoor ben je wel afhankelijk van engineers en die zijn in Nederland momenteel schaars.”
Nederland quantumland
Aan de andere kant kan Nederland wel worden gezien als een mekka op het gebied van quantum. “Alle ingrediënten voor quantumcomputers zijn hier volop aanwezig. Supergeleiding – essentieel voor supergeleidende quantumcomputers – is in Leiden ontdekt. Voor de andere soort quantumcomputers – topologische quantumcomputers – heb je Majorana-deeltjes nodig. Die zijn in 2012 ontdekt in Delft. Daarnaast is Nederland heel sterk op gebieden als hardware engineering, optica en quantumalgoritmiek. Alle expertise is hier gewoon. De Amerikaanse bigtechs concurreren met elkaar om te kunnen samenwerken met de Nederlandse universiteiten.”
Acun kijkt dan ook vol vertrouwen en verwachting uit naar de komende jaren. “Het is een hele mooie tijd om hier mee bezig te zijn en ING is een fantastische plek om dit te doen. Wij hebben de academische wereld ook echt iets te bieden doordat we ons richten op concrete bedrijfstoepassingen. Net als onze universiteiten wil ING echt een pionier worden op het gebied van quantum in de financiële wereld.”