Können wir mit Quantencomputern Musik machen?

Das Goethe-Institut, gegenüber dem Imperial College in London, ist nicht der Ort, an dem man erwarten würde, modernste Avantgarde-Kunst zu sehen. Mit seiner neoklassizistischen Fassade und einer Geschichte der Versorgung Deutschunterricht, es scheint kaum die Art von Veranstaltungsort zu sein, um eine Veranstaltung zu veranstalten, die Musiker wie einschließt Peter Gabriel und Brian Eno, zusammen mit einer Reihe von Quantenphysikern. Aber die Geräusche, die letzten Dezember aus seinem Hörsaal drangen, waren eher unerwartet: Dröhnen, Piepsen und Ausbrüche wilder Beats, die eher dem Soundtrack eines experimentellen Underground-Films ähneln.

Das war in der Tat der Klang von Quantencomputing.

An der Veranstaltung nahmen etwa 150 Personen teil, die zuhörten eine improvisierte Musikdarbietung orchestriert von dem brasilianischen Komponisten und Informatiker Eduardo Reck Miranda, der derzeit an der University of Plymouth in Großbritannien lebt. In einem Stück benutzten Miranda und zwei Kollegen jeweils ihre eigenen Laptops, die über das Internet mit einem Quantencomputer verbunden waren, um – über Handgesten – den Zustand eines Quantenbits (Qubit) zu steuern. Als der Zustand des Qubits gemessen wurde, diktierte das Ergebnis die Eigenschaften der Klänge, die von Synthesizern in London erzeugt wurden.

Wenn das bizarr klingt – nun, ja, das war es wirklich.

Ich möchte Maschinen entwickeln, die mir helfen, kreativ zu sein, und die meine normale Vorgehensweise herausfordern

Eduardo Miranda, Universität Plymouth

Beim Quantencomputing werden Informationen in Überlagerungszuständen verschränkter Qubits kodiert, wodurch einige Berechnungen wesentlich effizienter durchgeführt werden können, als dies mit klassischen Maschinen möglich ist. Obwohl diese Geräte immer noch Prototypen sind, die auf die Labore von Technologiegiganten wie z IBM und Google, Komponisten wie Miranda sind gespannt, was die neue Technologie ihnen bieten kann. „Ich möchte Maschinen entwickeln, die mir helfen, kreativ zu sein, und die meine normale Arbeitsweise herausfordern“, sagt er.

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Quantencomputing, glaubt Miranda, „fördert eine andere Denkweise, [die wiederum] zu einer anderen Denkweise über Musik führen wird.“ Es ist eine Ansicht, die von geteilt wird Bob Coecke – ein weiterer Mitarbeiter von Miranda – der Physiker bei dem in Oxford ansässigen Unternehmen für Quantencomputer ist Quantum. „Wenn man die Sichtweise und die Sprache ändert, kommt man auf ganz neue Ideen“, sagt Coecke.

Ich bin fasziniert zu wissen, wie [diese Musik] funktioniert.

Brian Eno, Musiker

Quantenmusik ist derzeit ein ausgesprochenes Nischenfeld – aber eines, das auf viel beachtetes Interesse stößt. Tatsächlich wurde die Veranstaltung des Goethe-Instituts einberufen, um die Veröffentlichung eines neuen Buches zu markieren, das von Miranda herausgegeben wurde. Quantencomputermusik, das angeblich das allererste Buch zu diesem Thema ist (Springer, 2022). Coecke plant unterdessen mit Miranda und der italienischen Theoretikerin dieses Jahr in Oxford ein Quantenkunst/Wissenschafts-Mashup Carlos Rovelli.

„Ich bin fasziniert zu wissen, wie [diese Musik] funktioniert“, sagte Eno nach dem Auftritt des Goethe-Instituts in einem Interview mit dem Goethe-Institut. „Es ist schwierig für mich, ein Urteil zu fällen, weil Sie nicht wissen, wie viele dieser Entscheidungen von Menschen getroffen wurden und wie viel von dieser anderen Art von Intelligenz kommt.“

Eine natürliche Partnerschaft

Die Idee, computerähnliche Algorithmen in der Musik zu verwenden, stammt aus den 1840er Jahren, als Wissenschaftler und Mathematiker Ada Lovelace zuerst über die Verwendung von Charles Babbage spekuliert Analytische Maschine – eine Art Steampunk-Rechengerät, das aus komplizierten Anordnungen von Messingzahnrädern besteht – um „ausgefeilte und wissenschaftliche Musikstücke von jedem Grad an Komplexität und Umfang zu komponieren“. In gewisser Weise war es eine natürliche Partnerschaft, denn ein Großteil der Musik selbst hat eine algorithmische und mathematische Grundlage, die sich in den Symmetrien widerspiegelt, die in den Werken von Barockkomponisten wie Johann Sebastian Bach offensichtlich sind.

Die Verwendung von Zufall und Wahrscheinlichkeit in der „automatischen“ Komposition wurde schon früher populär, in den Musikalisches Würfelspiel (musikalische Würfelspiele) des 18. Jahrhunderts, bei denen kleine Musikstücke aus Würfelrollen zusammengesetzt wurden. Eine Komposition angeblich von Mozart 1787 geschrieben kann ein Beispiel für das Genre sein. Es wäre von Mozart gespielt worden, der viele Male ein Paar Würfel geworfen hätte, wobei die Zahl, die jedes Mal geworfen wurde, einem bestimmten vorab geschriebenen Abschnitt der Musik entsprach. Das Ergebnis war eine willkürlich zusammengefügte Komposition, die sich bei jeder Aufführung unterschied, die man sich anhören kann bit.ly/3HivOLk.

Es war dieses Element der Zufälligkeit, das modernistische Komponisten in den frühen Tagen digitaler Maschinen zu Computern zog. In den 1950er und 1960er Jahren John Cage stand im Zentrum einer Gruppe von technikbegeisterten New Yorker Musikern, zu denen auch Yoko Ono und der verstorbene japanische Komponist Toshi Ichiyanagi, dessen zweideutige Partitur von 1960 IBM für Merce Cunningham wurde von den Lochkarten früher Computer inspiriert. Ausgestellt im Museum für moderne Kunst in New York, seine Partitur ist ebenso ein Kunstwerk wie ein eigentliches Musikstück – wie (wenn überhaupt) sie interpretiert werden soll, bleibt jedem potenziellen Interpreten überlassen.

Cage war auch einer von mehreren Künstlern, die daran beteiligt waren Experimente in Kunst und Technologie Kollektiv, dem Ingenieure von angehörten Bell-Labors in New Jersey, wo Cage herumhing, um Ideen zu sammeln. Indem er den Zufall nutzte, erklärte er, hoffte er, der Falle zu entgehen, sich in seinen Kompositionen zu wiederholen.

Im Moment machen wir [Quantenmusik] auf sehr naive Weise, weil die Maschinen begrenzt sind.

Bob Coecke, Quantinuum

In den 1960er und 1970er Jahren der griechisch-französische Komponist Iannis Xenakis – ein Schüler des französischen Komponisten Oliver Messiaen – integrierte Computer, Algorithmen und verschiedene stochastische Prozesse in seine Kompositionsmethoden. Inzwischen ist das in Paris ansässige Institut IRCAM von Composer gegründet worden Pierre Boulez, wurde in den 1970er Jahren zu einem Zentrum der Avantgarde-Musik und machte umfangreichen Gebrauch von Computern, Signalgeneratoren, Magnetbändern und anderen elektronischen Ressourcen.

Die digitale Informationstechnologie ist heute von zentraler Bedeutung für die Produktion und Wiedergabe von Mainstream-Musik. Einige der Signalverarbeitungsalgorithmen und Hardware, die heute in Musik und Video allgegenwärtig sind, wurden in den Bell Labs entwickelt – und es wäre schwer, sich die moderne Musikindustrie ohne diese Art von digitaler Technologie vorzustellen. Als sich Quantencomputer in den letzten zwei Jahrzehnten von einem theoretischen Vorschlag zu realen Maschinen verwandelten, war es sicherlich unvermeidlich, dass Musiker neugierig darauf waren, was diese Geräte für sie tun könnten.

Eine Quantenrevolution

Öffentlich verfügbare Quantencomputing-Ressourcen sind jedoch relativ begrenzt, sodass Miranda auf die Verwendung eines kryogen gekühlten XNUMX-Qubit beschränkt ist IBM Quantum in New York untergebrachtes Gerät, auf das über die Cloud zugegriffen wird. Miranda gibt zu, dass in den Quantenalgorithmen, mit denen er seine Kompositionen erstellt, bisher nichts ist, was nicht auch mit einem klassischen Computer simuliert werden könnte. „Im Moment machen wir [Quantenmusik] auf sehr naive Weise, weil die Maschinen begrenzt sind“, fügt Coecke hinzu.

Dennoch, wie Miranda erklärt, wären einige der Algorithmen, die er entwickelt, bereits auf klassischen Geräten rechenintensiv und langsam und schwer in Echtzeit in einem Konzert umzusetzen. Aber Rechengeschwindigkeit ist nicht wirklich das Hauptproblem, wenn es darum geht, Quantenphysik zum Komponieren von Musik zu verwenden. Die große Anziehungskraft von Quantenalgorithmen liegt vielmehr darin, eine Quelle der Zufälligkeit bei musikalischen Entscheidungen zu sein.

Wie bei einiger früherer computergestützter Musik können bestimmte Parameter der Musikpartitur, wie z. B. die Tonhöhe oder Dauer einer Note, zufälligen Auswahlen zugewiesen werden, die von der Maschine getroffen werden. Doch während klassische Computer nur eine Art von algorithmisch erzeugtem Pseudozufall bieten, greifen Quantengeräte auf die echte Zufälligkeit zurück, die das Ergebnis einer Quantenmessung mit sich bringt. Das Universum, könnte man sagen, trifft die Entscheidungen. Darüber hinaus kann dies in Echtzeit erfolgen.

Wie wachsen und entwickeln wir uns, wenn wir keine anderen Wege gehen?

Craig Stratton, Geiger

Miranda stellt sich vor, wie ein Komponist einem Musikstück einen bestimmten Algorithmus zuweist, der dann während einer Aufführung über einen Quantencomputer abgespielt wird. Das heißt, der Quantencomputer kann wie bei der Londoner Veranstaltung abgesetzt sein, sendet aber seine Messergebnisse einfach an etwa einen klassischen Tongenerator zurück. „Sie stellen die Bedingungen auf, aber Sie sind sich nicht ganz sicher, was daraus entstehen wird, bis das Stück aufgeführt wird“, sagt Miranada. „Die Aufführung wird für diesen besonderen Moment einzigartig sein.“

Die Veranstaltung des Goethe-Instituts zeigte andere Wege auf, wie Quantenmusik funktionieren könnte. In einem Stück, der britische Geiger Craig Stratton improvisierte eine kurze Melodie. Tonhöhe und Dauer jeder Note wurden als Quantenzustände dargestellt, die dann an den IBM-Computer in New York gesendet wurden. Dort verarbeitete das Gerät die Zustände, um eine Antwort zu formulieren, die „re-musikalisiert“ und wenige Augenblicke später in London von einem Tonsynthesizer (in diesem Fall mit einem Saxophonklang) wiedergegeben wurde.

Deep-Learning-KI-Algorithmen für solche musikalische „Call-and-Response“-Improvisationen wurden bereits entwickelt. Aber laut Miranda neigen diese Algorithmen dazu, bloße Nachahmungen der Musik zu produzieren, mit der sie trainiert werden. Quantencomputer hingegen würden sich vermutlich „eher als Partner denn als Nachahmer“ verhalten. Tatsächlich klangen die computergenerierten melodischen Reaktionen auf Strattons Improvisationen wenig wie die Stimuli, die sie provozierten, und behielten nur ein paar verlockende Echos der anfänglichen Klänge bei.

Stratton, der den Prozess faszinierend fand, glaubt, dass Quantencomputer sicherlich einen Platz in der Entwicklung von Musik haben. „Wie können wir wachsen und uns entwickeln, wenn wir keine anderen Wege gehen?“ er fragt.

Bloch-Köpfe

In einem anderen Stück Miranda und seine Kollegen aus Plymouth Peter Thomas und Paulo Itaborai verwendet verschiedene Computerschnittstellen zur Manipulation „Blochkugeln“. Benannt nach dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Physiker Felix Blochsind diese Kugeln geometrische Figuren, die die Vektorkomponenten eines zweistufigen Quantensystems beschreiben (die Punkte auf der Oberfläche sind reine Zustände und die auf der Innenseite gemischte Zustände). Bei der Veranstaltung in London trugen Miranda und Itaborai einen Bewegungssensorring und einen Handschuh, um Steuersignale per Handgesten an einen Laptop zu übertragen, während Thomas eine Reihe von Knöpfen verwendete.

Diese Signale wurden einem ferngesteuerten Quantenschaltkreis auf dem IBM-Quantencomputer zugeführt, wo die Musiker die Ausrichtung einer Bloch-Kugel drehten (deren visuelle Darstellung auf eine Leinwand hinter den Darstellern projiziert wurde). Zu bestimmten Zeiten konnten die Performer ihr Qubit „messen“ und es dadurch in einen bestimmten, aber grundsätzlich unvorhersehbaren Ausgangszustand „kollabieren“. (Eine klassische Simulation des Prozesses können Sie selbst ausprobieren unter bit.ly/41fXVnr).

Der Klang, der dabei entsteht, wird immer überraschen. Wir wissen nicht, was es sein wird, bis wir die Messung durchführen

Eduardo Miranda, Universität Plymouth

Der Wert dieses Zustands wurde dann verwendet, um die Parameter des Klangs zu bestimmen, der von drei Klangsynthesizern erzeugt wird, die jedem Ausführenden zugeordnet sind. „Der Sound, der dabei entsteht, wird immer überraschend sein“, sagt Miranda. „Wir wissen nicht, was es sein wird, bis wir die Messung durchgeführt haben.“ Die drei Interpreten reagierten dann mit ihren aufeinander folgenden Handbewegungen auf das Gehörte, wodurch das Ergebnis eine ständige Zusammenarbeit sowohl zwischen jedem Musiker und seinem Instrument als auch untereinander wurde.

Miranda nennt die Aufführung eine einstudierte Improvisation. „Wir haben es vorher ein paar Mal geübt und uns auf ein paar Dinge geeinigt, die wir tun würden, ziemlich genau wie das, was Jazzmusiker tun“, sagt er. Bei dieser Gelegenheit waren alle drei Qubits unabhängig, aber Miranda ist sehr daran interessiert, Wege zu finden, die Qubits so zu verschränken, dass jedes von den anderen abhängig ist – wodurch die Musiker selbst buchstäblich auf neue Weise gekoppelt werden.

Eine neue Art von Musik

Die Nutzung von Quantencomputern zum Musizieren ist „wie das Erlernen eines neuen Musikinstruments“, sagt er Maria Mannone, ein theoretischer Physiker, der an der Universität von Palermo in Italien an Quanteninformation arbeitet und auch Komponist ist. „Wir müssen lernen, die Musik zu spielen, die wir wollen, aber gleichzeitig können die spezifischen Merkmale des neuen Instruments Einschränkungen schaffen und bestimmte Ideen vorschlagen.“

Miranda vermutet, dass eine Möglichkeit, die Möglichkeiten auszuschöpfen, darin besteht, einen Quantencomputer dazu zu bringen, unerwartete musikalische Fragmente zu liefern, die dem Komponisten die Ideenkerne liefern, die er entwickeln kann, eher so, wie KI-generierte Musik derzeit verwendet wird. „Ich versuche“, sagt er, „die Maschine dazu zu bringen, mir Material zu liefern, auf das ich selbst nicht kommen würde – Ideen, mit denen ich arbeiten kann.“

Alles, besonders in den Wissenschaften, kann eine Quelle der Inspiration sein

Maria Mannone, Universität Palermo, Italien

Eines der derzeitigen Hindernisse für die Erweiterung des Fachgebiets ist die schiere Unvertrautheit und technische Komplexität der Quantenmechanik selbst. Mirandas neues Buch Quantencomputermusik ist kein Handbuch für schwache Nerven, da es mit Wellenfunktionen und Matrizenalgebra gefüllt ist. Musiker werden entmutigt sein, während Physiker und Ingenieure, die die Theorie verstehen, dazu neigen, wenig Wissen über musikalische Traditionen zu haben.

Aber er hofft, dass benutzerfreundliche Schnittstellen entwickelt werden, die die Eintrittsbarriere senken, so wie sie es für Computer im Allgemeinen getan haben. Mirandas Qubit-Rotationen werden beispielsweise durch einfache Handgesten gesteuert, ähnlich wie die Art und Weise, wie die Theremin – ein elektronisches Musikinstrument – ​​gespielt wird.

Ein anderer Ansatz wird von Pionierarbeit geleistet Jim Weaver, ein Quantenwissenschaftler bei IBM Forschungszentrum Yorktown Heights in New York, der die entwickelt hat Quantenspielzeugklavier. Es ist ein musikalisches Werkzeug, das einen Quantencomputer verwendet, um Melodien und Harmonien probabilistisch zu erzeugen, indem es die inhärente Zufälligkeit der Messung von Qubit-Zuständen nutzt Noten zuordnen.

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Weaver hat solche Ideen bereits in die Tat umgesetzt Spielplatz für Quantenmusik, in dem eine benutzerfreundliche Schnittstelle es dem Benutzer ermöglicht, Quantenzustände zu manipulieren, um Kompositionen mit mehreren Instrumenten zu erstellen. „[Die Leute] können herumspielen, bis die Musik so klingt, wie sie es gerne hätten“, sagt Weaver. „Es ist Musik der Bloch-Sphären“, scherzt er und spielt damit auf die alte Vorstellung einer kosmischen „Musik der Himmelssphären“ an (die Idee, dass die relativen Bewegungen von Sonne, Mond und Planeten sind eine Musikform).

Dieses System läuft tatsächlich auf einer klassischen Simulation von Quantenzuständen, die von einem herkömmlichen Computer durchgeführt wird, und nicht auf einem echten Quantengerät. Dies liegt daran, dass es eine vollständige Kenntnis des Quantenzustands erfordert – was bei einem echten Qubit nicht möglich ist, da eine Messung den Zustand kollabieren lässt. Weaver, der das Tool sowohl pädagogisch als auch musikalisch sieht, hofft, dass es Studenten (und Musikern) helfen kann, eine Intuition für Quantencomputing-Algorithmen zu entwickeln. Die Arbeit könnte nicht nur die Musik verändern, sondern auch der Quantenwissenschaft zugute kommen.

Eine weitere Möglichkeit, die technischen Barrieren zu überwinden, wird für Musiker darin bestehen, sich in die Community der Quantenforschung einzubetten. Das ist der Ansatz des amerikanischen Komponisten Spencer Topel, der es 2019 war Artist-in-Residence at Yale Quantum Institute, Heimat von Quantentechnologie-Experten wie z Michel Devoret und Robert Schoelkopf. Während seiner Tätigkeit in Yale schuf Topel eine Live-Performance bei dem die Musik aus Messungen der Dynamik der supraleitenden Quantengeräte erzeugt wurde, die in den meisten aktuellen Quantencomputern als Qubits verwendet werden.

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Auch Musiker könnten davon profitieren, ein bisschen Quantenmechanik zu lernen. „Komponisten müssen sachkundig sein“, betont Mannone, „weil alles, insbesondere in den Wissenschaften, eine Quelle der Inspiration sein kann.“ In der Tat muss der erforderliche Wissensstand nicht so abschreckend sein. Wie sie betont, leisten einige von denen, die jetzt Quantencode für andere Anwendungen schreiben, „großartige Arbeit, obwohl sie nur Grundkenntnisse über Quantengatter und -prinzipien haben“.

In ihrer eigenen Arbeit hat Mannone die Quantenphysik verwendet, um Musik zu analysieren – zum Beispiel durch die Verwendung einer Technik, die entwickelt wurde, um das Gedächtnis offener Quantensysteme zu quantifizieren, um die Menge an Wiederholungen und Ähnlichkeiten zu messen, die in musikalischen Kompositionen auftreten (Zeitschrift für kreative Musiksysteme doi.org/10.5920/jcms.975).

Hören Sie alles darüber

Wenn Sie sich fragen, wo Sie selbst Quantenmusik hören können, hat Miranda durch eine bevorstehende Zusammenarbeit mit der London Sinfonietta eine Live-Performance in einem Konzertsaal im Visier. Er sieht auch voraus, dass diese Art des Komponierens weniger formelle Umgebungen wie Clubs infiltriert, vielleicht über die „Live Coding“-Bewegung, eine neue Performance-Kunst, bei der DJ-ähnliche Programmierer Programme schreiben, um audiovisuelle Medien auf improvisierte und interaktive Weise zu steuern, vielleicht kombiniert mit Tanz, Poesie und Musik (Sie können sich ein Beispiel anhören unter bit.ly/3Z8hUDg).

Um das Wachstum der Community anzuregen, arbeitete Miranda im November 2021 mit IBM Quantum und Quantinuum zusammen, um die erste zu hosten Internationales Symposium über Quantencomputer und musikalische Kreativität. „Wir kennen noch nicht die Möglichkeiten für Quantenmusik“, sagte der damalige Geschäftsführer von Quantinuum Iljas Khan in der Veranstaltung des Goethe-Instituts – und es kann sein, dass die Quantenmusik im Laufe ihrer Reifung wenig Ähnlichkeit mit dem haben wird, was die heutigen Pioniere tun. „Diese ersten zwei bis drei Jahre sind experimentell“, sagt er.

Miranda hofft, dass es möglich sein könnte, Quantenkonzepte wie Verschränkung und Kohärenz, die intellektuell schwer zu verstehen sind, in Ton auszudrücken. „Das ist der heilige Gral“, sagt er. „Ich möchte das erreichen, aber ich weiß nicht wie.“ Aber für Coecke geht es darum, den Wechsel zum Quantendenken zu beschleunigen. „Setzt man Dinge in der Quantenwelt zusammen, entsteht plötzlich ein neues Universum an Möglichkeiten.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/