¿Podemos usar computadoras cuánticas para hacer música?

La Goethe-Institut, frente al Imperial College de Londres, no es el tipo de lugar en el que esperaría encontrar arte de vanguardia. Con su fachada neoclásica y una historia de brindar clases de idioma aleman, no parece el tipo de lugar para albergar un evento que incluye músicos como Peter Gabriel y Brian Eno, junto con varios físicos cuánticos. Pero los sonidos que emanaban de su sala de conferencias en diciembre pasado fueron bastante inesperados: zumbidos, pitidos y ráfagas de ritmos salvajes más parecidos a la banda sonora de una película underground experimental.

Este era, de hecho, el sonido de la computación cuántica.

Al acto asistieron unas 150 personas, que escuchaban una actuación musical improvisada orquestado por el compositor e informático brasileño Eduardo Rey Miranda, que actualmente trabaja en la Universidad de Plymouth en el Reino Unido. En una pieza, Miranda y dos colegas usaban cada uno sus propias computadoras portátiles, que estaban conectadas a una computadora cuántica a través de Internet, para controlar, a través de gestos con las manos, el estado de un bit cuántico (qubit). Cuando se midió el estado del qubit, el resultado dictó las características de los sonidos creados por los sintetizadores en Londres.

Si eso suena extraño, bueno, sí, realmente lo hizo.

Quiero desarrollar máquinas que me ayuden a ser creativo y que desafíen mi forma habitual de hacer las cosas.

Eduardo Miranda, Universidad de Plymouth

En la computación cuántica, la información se codifica en estados de superposición de qubits entrelazados, lo que permite que algunos cálculos se realicen de manera mucho más eficiente que con las máquinas clásicas. Aunque estos dispositivos son todavía prototipos confinados a los laboratorios de gigantes tecnológicos como IBM y Google, compositores como Miranda están ansiosos por descubrir qué les puede ofrecer la nueva tecnología. “Quiero desarrollar máquinas que me ayuden a ser creativo y que desafíen mi forma normal de hacer las cosas”, dice.

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La computación cuántica, cree Miranda, "promueve una forma diferente de pensar, [que a su vez] conducirá a diferentes formas de pensar sobre la música". Es una vista compartida por Bob Coecke – otro de los colaboradores de Miranda – que es físico en la empresa de computación cuántica con sede en Oxford cuántico. “Si cambias la forma en que ves las cosas y el lenguaje que usas, obtienes ideas completamente nuevas”, dice Coecke.

Me fascina saber cómo funciona [esta música].

Brian Eno, músico

La música cuántica es actualmente un campo decididamente especializado, pero que está atrayendo un interés de alto perfil. De hecho, el evento Goethe-Institut fue convocado para marcar el lanzamiento de un nuevo libro editado por Miranda, Música cuántica por computadora, que pretende ser el primer libro sobre el tema (Springer, 2022). Mientras tanto, Coecke está planeando una combinación de arte y ciencia cuántica en Oxford este año con Miranda y el teórico italiano Carlos Rovelli.

“Me fascina saber cómo funciona [esta música]”, dijo Eno después de la actuación del Goethe-Institut en una entrevista con el Goethe-Institut. “Es difícil para mí emitir un juicio, porque no sabes cuántas de esas decisiones fueron tomadas por humanos y cuántas provienen de ese tipo diferente de inteligencia”.

Una asociación natural

La idea de utilizar algoritmos informáticos en la música se remonta a la década de 1840, cuando el científico y matemático Ada Lovelace especuló por primera vez sobre el uso de Charles Babbage Máquina analítica – una especie de dispositivo de cálculo steampunk hecho de intrincados conjuntos de engranajes de latón – para “componer piezas musicales elaboradas y científicas de cualquier grado de complejidad o extensión”. En cierto modo, fue una asociación natural, ya que gran parte de la música en sí misma tiene una base algorítmica y matemática, reflejada en las simetrías aparentes en las obras de compositores barrocos como Johann Sebastian Bach.

El uso del azar y la probabilidad en la composición “automatizada” se hizo popular incluso antes, en el Juego de música musical (juegos musicales de dados) del siglo XVIII, en los que se ensamblaban pequeñas piezas musicales utilizando tiradas de dados. Una composición supuestamente escrito por Mozart en 1787 puede ser un ejemplo del género. Habría sido tocado por Mozart lanzando un par de dados muchas veces, con el número arrojado en cada ocasión correspondiente a una sección musical preescrita en particular. El resultado fue una composición cosida al azar que difería en cada actuación, que puedes escuchar en bit.ly/3HivOLk.

Fue este elemento de aleatoriedad lo que atrajo a los compositores modernistas a las computadoras en los primeros días de las máquinas digitales. En las décadas de 1950 y 1960, John Cage estaba en el centro de un grupo de músicos neoyorquinos amantes de la tecnología que incluía Yoko Ono y el difunto compositor japonés Toshi Ichiyanagi, cuya ambigua partitura de 1960 IBM para Merce Cunningham se inspiró en las tarjetas perforadas de las primeras computadoras. En exhibición en el Museo de Arte Moderno de Nueva York, su partitura es tanto una obra de arte como una pieza musical real: cómo (si es que todo) debe interpretarse depende de cualquier intérprete potencial.

Cage también fue uno de varios artistas involucrados en el Experimentos en Arte y Tecnología colectivo, que incluía ingenieros de Laboratorios Bell en Nueva Jersey, donde Cage pasaría el rato para obtener ideas. Usando el azar, explicó, esperaba evitar la trampa de repetirse en sus composiciones.

Por ahora estamos haciendo [música cuántica] de una manera muy ingenua porque las máquinas son limitadas.

Bob Coecke, Quantinuum

En las décadas de 1960 y 1970, el compositor greco-francés Iannis Xenakis – un alumno del compositor francés Olivier Messiaen – incorporó computadoras, algoritmos y varios procesos estocásticos en sus métodos de composición. Mientras tanto, el instituto IRCAM con sede en París, fundado por el compositor Pierre Boulez, se convirtió en un centro de música de vanguardia en la década de 1970, haciendo un uso extensivo de computadoras, generadores de señales, cintas magnéticas y otros recursos electrónicos.

La tecnología de la información digital ahora es fundamental para la producción y reproducción de la música convencional. Algunos de los algoritmos y hardware de procesamiento de señales que son omnipresentes en la música y el video de hoy en día se desarrollaron en Bell Labs, y sería difícil imaginar la industria de la música moderna sin ese tipo de tecnología digital. Seguramente era inevitable, entonces, que a medida que las computadoras cuánticas se transformaban en las últimas dos décadas de una propuesta teórica a máquinas reales, los músicos sintieran curiosidad por saber qué podrían hacer estos dispositivos por ellos.

Una revolución cuántica

Sin embargo, los recursos de computación cuántica disponibles públicamente son relativamente limitados, por lo que Miranda está restringida a usar un sistema de refrigeración criogénica de siete qubits. IBM Quantum dispositivo alojado en Nueva York, al que se accede a través de la nube. Miranda admite que, hasta el momento, no hay nada en los algoritmos cuánticos que utiliza para crear sus composiciones que no pueda simularse con una computadora clásica. “Por ahora estamos haciendo [música cuántica] de una manera muy ingenua porque las máquinas son limitadas”, agrega Coecke.

Aún así, como explica Miranda, algunos de los algoritmos que está desarrollando ya serían computacionalmente costosos y lentos en dispositivos clásicos, y difíciles de implementar en vivo en tiempo real en un concierto. Pero la velocidad de cálculo no es realmente el problema principal cuando se trata de utilizar la física cuántica para componer música. El gran atractivo de los algoritmos cuánticos es, más bien, como fuente de aleatoriedad en las elecciones musicales.

Al igual que con la música anterior basada en computadora, los parámetros particulares de la partitura musical, como el tono o la duración de una nota, se pueden asignar a elecciones aleatorias realizadas por la máquina. Pero mientras que las computadoras clásicas ofrecen solo un tipo de pseudoaleatoriedad generada algorítmicamente, los dispositivos cuánticos acceden a la aleatoriedad genuina involucrada en el resultado de una medición cuántica. El universo, se podría decir, toma las decisiones. Además, esto se puede hacer en tiempo real.

¿Cómo crecemos y nos desarrollamos si no exploramos otras vías?

Craig Stratton, violinista

Miranda imagina a un compositor asignando un algoritmo particular a una pieza musical, que luego se reproduce a través de una computadora cuántica durante una interpretación. En otras palabras, la computadora cuántica puede ser remota, como lo fue en el evento de Londres, pero simplemente envía los resultados de sus mediciones a, por ejemplo, un generador de tonos clásico. “Estableces las condiciones, pero no estás completamente seguro de lo que producirá hasta que se ejecuta la pieza”, dice Miranada. “La actuación será única para ese momento en particular”.

El evento del Goethe-Institut mostró otras formas en las que la música cuántica podría funcionar. En una pieza, el violinista británico craig stratton improvisó una melodía corta. El tono y la duración de cada nota se representaron como estados cuánticos que luego se enviaron a la computadora de IBM en Nueva York. Allí, el dispositivo procesó los estados para formular una respuesta que fue "remusicalizada" y reproducida en Londres por un sintetizador de tonos (en ese caso usando un sonido de saxofón) momentos después.

Ya se han ideado algoritmos de inteligencia artificial de aprendizaje profundo para tal improvisación musical de "llamada y respuesta". Pero según Miranda, esos algoritmos tienden a producir meros pastiches de la música con la que están entrenados. Las computadoras cuánticas, por el contrario, probablemente se comportarán "más como un socio que como un imitador". De hecho, las respuestas melódicas generadas por computadora a las improvisaciones de Stratton se parecían poco a los estímulos que las provocaron, conservando solo algunos ecos tentadores de los sonidos iniciales.

Stratton, quien encontró intrigante el proceso, cree que las computadoras cuánticas ciertamente tienen un lugar en el desarrollo de la música. “¿Cómo crecemos y nos desarrollamos si no exploramos otras vías?” él pide.

cabezas de Bloch

En otra pieza, Miranda y sus colegas de Plymouth Pedro Tomas y paulo itaborai Usó varias interfaces de computadora para manipular “Esferas de Bloch”. Nombrado en honor al físico ganador del premio Nobel Félix Bloch, estas esferas son figuras geométricas que describen los componentes vectoriales de un sistema cuántico de dos niveles (los puntos de la superficie son estados puros y los del interior son estados mixtos). En el evento de Londres, Miranda e Itaborai usaron un anillo y un guante de detección de movimiento para transmitir señales de control mediante gestos con las manos a una computadora portátil, mientras que Thomas usó un panel de perillas.

Estas señales se alimentaron a un circuito cuántico que se ejecutaba de forma remota en la computadora cuántica de IBM, donde los músicos rotaron la orientación de una esfera de Bloch (una representación visual de la cual se proyectó en una pantalla detrás de los artistas). En ciertos momentos, los artistas pueden optar por "medir" su qubit, "colapsándolo" en un estado de salida definido pero fundamentalmente impredecible. (Puede probar usted mismo una simulación clásica del proceso en bit.ly/41fXVnr).

El sonido que resulte siempre será sorprendente. No sabemos cuál será hasta que hagamos la medición.

Eduardo Miranda, Universidad de Plymouth

El valor de este estado se usó luego para determinar los parámetros del sonido generado por tres sintetizadores de sonido asignados a cada intérprete. “El sonido resultante siempre será sorprendente”, dice Miranda. “No sabemos qué será hasta que hagamos la medición”. Luego, los tres intérpretes respondieron a lo que escucharon con sus movimientos de manos posteriores, lo que hizo que el resultado fuera una colaboración constante tanto entre cada músico y su instrumento como entre ellos.

Miranda llama a la actuación una improvisación ensayada. “Lo practicamos antes varias veces y acordamos algunas cosas que haríamos, muy parecido a lo que hacen los músicos de jazz”, dice. En esta ocasión, los tres qubits eran independientes, pero Miranda está ansiosa por encontrar formas de entrelazar los qubits para que cada uno dependa de los demás, lo que hace que los músicos se acoplen literalmente de nuevas maneras.

Un nuevo tipo de música

Aprovechar la computación cuántica para hacer música es "como aprender a tocar un nuevo instrumento musical", dice María Manone, un físico teórico que trabaja en información cuántica en la Universidad de Palermo en Italia, que también es compositor. “Tenemos que aprender a tocar la música que queremos, pero, al mismo tiempo, las características específicas del nuevo instrumento pueden crear restricciones y sugerir ideas particulares”.

Miranda sospecha que una forma de explotar las posibilidades es hacer que una computadora cuántica genere fragmentos musicales inesperados que proporcionen el núcleo de ideas para que el compositor las desarrolle, más o menos en la forma en que se usa actualmente la música generada por IA. "Estoy intentando", dice, "que la máquina me proporcione material que no se me ocurriría por mí mismo, ideas con las que puedo trabajar".

Todo, especialmente en las ciencias, puede ser una fuente de inspiración.

Maria Mannone, Universidad de Palermo, Italia

Uno de los obstáculos actuales para la expansión del campo es la absoluta falta de familiaridad y la complejidad técnica de la propia mecánica cuántica. El nuevo libro de Miranda Música cuántica por computadora no es un manual para los pusilánimes, ya que está repleto de funciones de onda y álgebra matricial. Los músicos se sentirán intimidados, mientras que los físicos e ingenieros que entienden la teoría tienden a tener poco conocimiento de las tradiciones musicales.

Pero espera que se desarrollen interfaces fáciles de usar que reduzcan la barrera de entrada, tal como lo han hecho para la informática en general. Las rotaciones de qubits de Miranda, por ejemplo, se controlan mediante simples gestos con las manos, de forma similar a la forma en que el theremin – se toca un instrumento musical electrónico.

Otro enfoque está siendo iniciado por Jim Weaver, un científico cuántico de IBM Centro de investigación de Yorktown Heights en Nueva York, quien ha desarrollado el Piano de juguete cuántico. Es una herramienta musical que usa una computadora cuántica para generar melodías y armonías de manera probabilística, usando la aleatoriedad inherente de medir estados de qubits para asignar las notas.

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Weaver ya ha desarrollado tales ideas en el Patio de juegos de música cuántica, en el que una interfaz fácil de usar permite al usuario manipular estados cuánticos para crear composiciones de varios instrumentos. “[La gente] puede jugar hasta que la música suene como les gustaría”, dice Weaver. “Es la música de las esferas de Bloch”, bromea, en alusión a la antigua noción de una “música de las esferas celestes” cósmica (la idea de que los movimientos relativos del Sol, la Luna y los planetas son una forma de música).

Este sistema en realidad se ejecuta en una simulación clásica de estados cuánticos realizada por una computadora convencional, en lugar de un dispositivo cuántico real. Esto se debe a que requiere un conocimiento completo del estado cuántico, lo que no se puede hacer para un qubit real porque una medición colapsa el estado. Weaver, que ve la herramienta como educativa además de musical, espera que pueda ayudar a los estudiantes (y músicos) a desarrollar una intuición para los algoritmos de computación cuántica. El trabajo podría no solo cambiar la música, sino también beneficiar a la ciencia cuántica.

Otra opción para superar las barreras técnicas será que los músicos se integren en la comunidad de investigación cuántica. Ese es el enfoque adoptado por el compositor estadounidense spencer topel, quien en 2019 fue artista en residencia at Instituto Cuántico de Yale, hogar de expertos en tecnología cuántica como michel devoret y Roberto Schoelkopf. Durante su paso por Yale, Topel creó una presentación en vivo en el que la música se produjo a partir de mediciones de la dinámica de los dispositivos cuánticos superconductores utilizados como qubits en la mayoría de las computadoras cuánticas actuales.

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Los músicos también podrían beneficiarse de aprender un poco de mecánica cuántica. “Los compositores tienen que estar bien informados”, señala Mannone, “porque todo, especialmente en las ciencias, puede ser una fuente de inspiración”. De hecho, el nivel de conocimiento requerido no tiene por qué ser tan desalentador. Como ella señala, algunos de los que ahora escriben código cuántico para otras aplicaciones "hacen un trabajo magnífico mientras tienen solo un conocimiento básico de las puertas y principios cuánticos".

En su propio trabajo, Mannone ha utilizado la física cuántica para analizar la música, por ejemplo, mediante el uso de una técnica desarrollada para cuantificar la memoria de los sistemas cuánticos abiertos para medir las cantidades de repetición y similitud que aparecen en las composiciones musicales (Revista de sistemas musicales creativos doi.org/10.5920/jcms.975).

Escuche todo al respecto

Si te preguntas dónde podrías escuchar música cuántica por ti mismo, Miranda tiene la vista puesta en una presentación en vivo en una sala de conciertos a través de una próxima colaboración con la London Sinfonietta. También prevé que este tipo de composición se infiltre en escenarios menos formales como clubes, quizás a través de la movimiento de "codificación en vivo", un nuevo arte escénico en el que codificadores tipo DJ escriben programas para controlar medios audiovisuales de forma improvisada e interactiva, quizás combinados con danza, poesía y música (puedes escuchar un ejemplo en bit.ly/3Z8hUDg).

Para estimular el crecimiento de la comunidad, en noviembre de 2021 Miranda colaboró ​​con IBM Quantum y Quantinuum para albergar la primera Simposio Internacional sobre Computación Cuántica y Creatividad Musical. “Todavía no sabemos cuáles son las posibilidades de la música cuántica”, dijo el entonces director ejecutivo de Quantinuum. Ilias Khan en el evento del Goethe-Institut, y puede ser que, a medida que la música cuántica madure, se parezca poco a lo que están haciendo los pioneros de hoy. “Estos primeros dos o tres años son experimentales”, dice.

Miranda espera que sea posible expresar, en sonido, conceptos cuánticos como el entrelazamiento y la coherencia que son difíciles de intuir intelectualmente. “Ese es el santo grial”, dice. “Quiero lograr esto pero no sé cómo”. Pero para Coecke, se trata de catalizar un cambio al pensamiento cuántico. “Si juntas las cosas en el mundo cuántico, de repente surge un nuevo universo de posibilidades”.

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