Kas saame muusika tegemiseks kasutada kvantarvuteid?

. Goethe-InstitutLondoni Imperial College'i vastas asuv paik ei ole selline koht, kus võiks oodata tipptasemel avangardkunsti. Oma neoklassikalise fassaadiga ja ajalooga Saksa keele tunnid, ei tundu see olevat selline koht, kus korraldada üritust, mis hõlmab muusikuid nagu Peter Gabriel ja Brian Eno, koos mitmete kvantfüüsikutega. Kuid eelmise aasta detsembris selle loengusaalist kostvad helid olid üsna ootamatud: droonid, piiksud ja metsikute löökide pursked sarnanesid rohkem eksperimentaalse põrandaaluse filmi heliribaga.

See oli tegelikult kvantarvutuse heli.

Üritusel osales umbes 150 inimest, kes olid kuulamas improviseeritud muusikaline etteaste orkestreeris Brasiilia helilooja ja arvutiteadlane Eduardo Reck Miranda, kes praegu asub Ühendkuningriigis Plymouthi ülikoolis. Ühes tükis kasutasid Miranda ja kaks kolleegi igaüks oma sülearvuteid, mis olid Interneti kaudu ühendatud kvantarvutiga, et juhtida – käeliigutuste abil – kvantbiti (qubit) olekut. Kui kubiidi olekut mõõdeti, dikteeris tulemus Londonis süntesaatorite loodud helide omadused.

Kui see kõlab veidralt – jah, nii see tõesti oli.

Tahan välja töötada masinaid, mis aitavad mul olla loomingulised ja esitavad väljakutse minu tavapärasele tegutsemisviisile

Eduardo Miranda, Plymouthi ülikool

Kvantarvutuses kodeeritakse teave takerdunud kubitite superpositsiooni olekutesse, mis võimaldab mõningaid arvutusi teha palju tõhusamalt kui klassikaliste masinatega. Kuigi need seadmed on endiselt prototüübid, mis on piiratud selliste tehnoloogiahiiglaste laboritega nagu IBM ja Google, soovivad sellised heliloojad nagu Miranda avastada, mida uus tehnoloogia neile pakkuda suudab. "Ma tahan arendada masinaid, mis aitavad mul olla loomingulised ja seavad proovile mu tavapärase tegutsemisviisi," ütleb ta.

[Varjatud sisu]

Miranda usub, et kvantarvuti "edendab teistsugust mõtlemisviisi, [mis omakorda] toob kaasa erinevaid viise muusikast mõelda." See on vaade, mida jagavad Bob Coecke – veel üks Miranda kaastöötajatest – kes on Oxfordis asuva kvantarvutite ettevõtte füüsik Kvantiinum. "Kui muudate seda, kuidas te asjadele vaatate, ja keelt, mida kasutate, tulevad välja täiesti uued ideed, " ütleb Coecke.

Mind huvitab teadmine, kuidas [see muusika] töötab.

Brian Eno, muusik

Kvantmuusika on praegu otsustavalt nišivaldkond, kuid see, mis äratab kõrgetasemelist huvi. Tõepoolest, Goethe Instituudi üritus kutsuti kokku, tähistamaks uue Miranda toimetatud raamatu ilmumist, Kvantarvutimuusika, mis väidetavalt on esimene selleteemaline raamat (Springer, 2022). Samal ajal plaanib Coecke sel aastal Oxfordis koos Miranda ja itaalia teoreetikuga kvantkunsti/teaduse kokkusaamist. Carlo rovelli.

"Olen lummatud teada, kuidas [see muusika] töötab," ütles Eno pärast Goethe Instituudi esinemist intervjuus Goethe Instituudile. "Mul on raske hinnangut anda, sest te ei tea, kui suure osa nendest otsustest tegid inimesed ja kui palju sellest erinevast intelligentsusest välja tuleb."

Loomulik partnerlus

Idee kasutada muusikas arvutitaolisi algoritme pärineb 1840. aastatest, mil teadlane ja matemaatik Ada Lovelace esmalt spekuleeris Charles Babbage'i kasutamise üle Analüütiline masin – omamoodi aurupunki arvutusseade, mis on valmistatud keerukatest messingist hammasrataste massiividest – mis tahes keerukuse või ulatusega keerukate ja teaduslike muusikapalade koostamiseks. Mõnes mõttes oli see loomulik partnerlus, sest suurel osal muusikast endal on algoritmiline ja matemaatiline alus, mida peegeldavad barokkheliloojate, näiteks Johann Sebastian Bachi teostes ilmnevad sümmeetriad.

Juhuse ja tõenäosuse kasutamine “automaatses” kompositsioonis sai populaarseks veelgi varem, aastal Musikalisches Würfelspiel (muusikalised täringumängud) 18. sajandist, mille käigus pandi täringuveere abil kokku väikesed muusikapalad. Üks kompositsioon väidetavalt kirjutas Mozart 1787. aastal võib olla žanri näide. Seda oleks mänginud Mozart mitu korda täringut veeretades, kusjuures igal korral visatud number vastaks konkreetsele eelnevalt kirjutatud muusikalõigule. Tulemuseks oli juhuslikult kokku õmmeldud kompositsioon, mis erines igal esitusel ja mida saate kuulata bit.ly/3HivOLk.

Just see juhuslikkuse element meelitas digitaalsete masinate algusaegadel modernistlikke heliloojaid arvutite juurde. 1950. ja 1960. aastatel John Cage oli tehnoloogiahuviliste New Yorgis asuvate muusikute rühma keskmes, kuhu kuulusid Yoko Ono ja varalahkunud jaapani helilooja Toshi Ichiyanagi, mille mitmetähenduslik 1960. a IBM Merce Cunninghamile oli inspireeritud varasemate arvutite perfokaartidest. Näitusel aadressil Moodsa kunsti muuseum New Yorgis, on tema partituur samavõrd kunstiteos kui tegelik muusikateos – kuidas (kui seda kõike) tõlgendada, on iga potentsiaalse esineja enda otsustada.

Cage oli ka üks mitmest kunstnikust, kes osalesid selles Eksperimendid kunsti ja tehnoloogia vallas kollektiiv, kuhu kuulusid insenerid aastast Bell Laboratories New Jerseys, kus Cage ideid ammutamas käiks. Ta selgitas, et juhust kasutades lootis ta vältida end oma kompositsioonides kordamise lõksu.

Praegu teeme [kvantmuusikat] väga naiivsel viisil, sest masinad on piiratud.

Bob Coecke, Quantiinum

1960. ja 1970. aastatel kreeka-prantsuse helilooja Iannis Xenakis – prantsuse helilooja õpilane Olivier Messiaen – lülitas oma komponeerimismeetoditesse arvuteid, algoritme ja erinevaid stohhastilisi protsesse. Vahepeal Pariisis asuv IRCAM-instituut, mille asutas helilooja Pierre boulez, sai 1970. aastatel avangardmuusika keskuseks, kasutades laialdaselt arvuteid, signaaligeneraatoreid, magnetlinti ja muid elektroonilisi ressursse.

Digitaalne infotehnoloogia on nüüd peavoolumuusika tootmisel ja taasesitamisel kesksel kohal. Mõned tänapäeval muusikas ja videos levinud signaalitöötlusalgoritmid ja riistvara töötati välja Bell Labsis – ja oleks raske ette kujutada kaasaegset muusikatööstust ilma sellise digitaaltehnoloogiata. Seetõttu oli kindlasti vältimatu, et kui kvantarvutid on viimase kahe aastakümne jooksul muutunud teoreetilisest ettepanekust reaalseteks masinateks, on muusikud uudishimulikud, mida need seadmed nende heaks teha võivad.

Kvantrevolutsioon

Avalikult kättesaadavad kvantarvutusressursid on siiski suhteliselt piiratud, seega piirdub Miranda seitsme kubitise krüogeenjahutusega seadme kasutamisega. IBM Quantum New Yorgis asuv seade, millele pääseb ligi pilve kaudu. Miranda tunnistab, et siiani pole tema kompositsioonide koostamiseks kasutatavates kvantalgoritmides midagi sellist, mida poleks võimalik ka klassikalise arvutiga simuleerida. "Praegu teeme [kvantmuusikat] väga naiivsel viisil, sest masinad on piiratud," lisab Coecke.

Siiski, nagu Miranda selgitab, oleksid mõned tema arendatavad algoritmid juba klassikalistes seadmetes arvutuslikult kulukad ja aeglased ning neid on kontserdil reaalajas raske rakendada. Kuid arvutuskiirus ei ole tegelikult peamine probleem, kui tegemist on kvantfüüsika kasutamisega muusika koostamisel. Kvantalgoritmide suur atraktiivsus on pigem muusikaliste valikute juhuslikkuse allikas.

Nagu mõne varasema arvutipõhise muusika puhul, saab ka partituuri teatud parameetrid, nagu noodi kõrgus või kestus, määrata masina juhuslikele valikutele. Kuid kui klassikalised arvutid pakuvad vaid teatud tüüpi algoritmiliselt genereeritud pseudojuhuslikkust, siis kvantseadmed pääsevad juurde tõelisele juhuslikkusele, mis on seotud kvantmõõtmise tulemusega. Võib öelda, et universum teeb valikud. Veelgi enam, seda saab teha reaalajas.

Kuidas me kasvame ja areneme, kui me ei uuri teisi võimalusi?

Craig Stratton, viiuldaja

Miranda kujutab ette, kuidas helilooja määrab muusikapalale kindla algoritmi, mida seejärel esitamise ajal kvantarvuti kaudu ette mängitakse. Teisisõnu, kvantarvuti võib olla eemal, nagu see oli Londoni üritusel, kuid lihtsalt saadab oma mõõtmistulemused tagasi näiteks klassikalisele toonigeneraatorile. "Te loote tingimused, kuid te pole enne teose esitamist täiesti kindel, mida see annab, " ütleb Miranada. "Esinemine on sellel konkreetsel hetkel ainulaadne."

Goethe Instituudi üritus näitas teisi viise, kuidas kvantmuusika võiks töötada. Ühes tükis Briti viiuldaja Craig Stratton improviseeris lühikese loo. Iga noodi kõrgus ja kestus esitati kvantseisunditena, mis saadeti seejärel New Yorgis asuvasse IBM-i arvutisse. Seal töötles seade olekuid, et sõnastada vastus, mis "uuesti musikaliseeriti" ja esitas Londonis helisüntesaatoriga (sel juhul saksofoniheli kasutades) mõne hetke hiljem.

Sellise muusikalise "helista ja vastuse" improvisatsiooni jaoks on juba välja töötatud süvaõppivad AI-algoritmid. Kuid Miranda sõnul kipuvad need algoritmid tootma lihtsalt pastiše muusikast, mille järgi nad on koolitatud. Kvantarvutid seevastu käituvad tõenäoliselt "rohkem partneri kui jäljendajana". Tõepoolest, arvutiga genereeritud meloodilised vastused Strattoni improvisatsioonidele kõlasid vähe nagu neid esile kutsunud stiimulid, säilitades vaid mõned ahvatlevad kajad esialgsetest helidest.

Stratton, kes pidas protsessi intrigeerivaks, usub, et kvantarvutitel on kindlasti oma koht muusika arengus. "Kuidas me kasvame ja areneme, kui me ei uuri teisi võimalusi?" ta küsib.

Bloch pead

Teises tükis Miranda ja tema Plymouthi kolleegid Pete Thomas ja Paulo Itaborai kasutas manipuleerimiseks erinevaid arvutiliideseid "Blochi sfäärid". Nimetatud Nobeli preemia võitnud füüsiku järgi Felix Bloch, on need sfäärid geomeetrilised kujundid, mis kirjeldavad kahetasandilise kvantsüsteemi vektorkomponente (pinnapunktid on puhtad olekud ja sees olevad segaolekud). Londoni üritusel kandsid Miranda ja Itaborai liikumisanduriga sõrmust ja kinnast, et edastada juhtsignaale käeliigutustega sülearvutile, Thomas aga nuppude paneeli.

Need signaalid juhiti IBM-i kvantarvutis eemalt töötavasse kvantahelasse, kus muusikud pöörasid Blochi sfääri (mille visuaalne esitus projitseeriti esinejate taga olevale ekraanile) orientatsiooni. Teatud aegadel said esinejad valida oma kubiti "mõõtmise", "kokku kukkudes" selle kindlasse, kuid põhimõtteliselt ettearvamatusse väljundseisundisse. (Saate ise proovida protsessi klassikalist simulatsiooni aadressil bit.ly/41fXVnr).

Tulemuseks olev heli on alati üllatav. Me ei tea, mis see saab enne, kui oleme mõõtnud

Eduardo Miranda, Plymouthi ülikool

Seejärel kasutati selle oleku väärtust igale esinejale määratud kolme helisüntesaatori tekitatud heli parameetrite määramiseks. "Selle tulemuseks olev heli on alati üllatav, " ütleb Miranda. "Me ei tea, mis see saab, kuni oleme mõõtmise teinud." Kolm esinejat vastasid seejärel kuuldule oma järgnevate käeliigutustega, muutes tulemuseks pideva koostöö nii iga muusiku ja nende instrumendi vahel kui ka omavahel.

Miranda nimetab etendust harjutatud improvisatsiooniks. "Harjutasime seda paar korda varem ja leppisime kokku mõne asjaga, mida teeme, nagu jazzimängijad," ütleb ta. Sel korral olid kõik kolm kubitti iseseisvad, kuid Miranda soovib leida viise, kuidas kubitid omavahel kokku segada, et igaüks oleks teistest sõltuv, pannes muusikud ise sõna otseses mõttes uuel viisil kokku.

Uut tüüpi muusika

Kvantarvutite kasutamine muusika tegemiseks on "nagu uue muusikariista mängimise õppimine" Maria Mannone, Itaalias Palermo ülikoolis kvantinformatsiooni kallal töötav teoreetiline füüsik, kes on ka helilooja. "Peame õppima, kuidas mängida soovitud muusikat, kuid samal ajal võivad uue instrumendi eripärad tekitada piiranguid ja soovitada konkreetseid ideid."

Miranda kahtlustab, et üks võimalus võimaluste ärakasutamiseks on panna kvantarvuti välja mõtlema ootamatuid muusikalisi fragmente, mis annavad heliloojale ideede tuumad arendamiseks, pigem nii, nagu praegu kasutatakse tehisintellektiga loodud muusikat. "Ma üritan," ütleb ta, "et masin annaks mulle materjali, mille peale ma ise ei tuleks – ideid, millega saaksin töötada."

Kõik, eriti teaduses, võib olla inspiratsiooniallikaks

Maria Mannone, Palermo Ülikool, Itaalia

Üks praegusi takistusi valdkonna laienemisel on kvantmehaanika enda tundmatus ja tehniline keerukus. Miranda uus raamat Kvantarvutimuusika ei ole käsiraamat nõrganärvilistele, kuna see on täis lainefunktsioone ja maatriksalgebrat. Muusikud on hirmul, samas kui teooriat mõistvatel füüsikutel ja inseneridel on muusikatraditsioonidest vähe teadmisi.

Kuid ta loodab, et töötatakse välja kasutajasõbralikud liidesed, mis alandavad sisenemisbarjääri, täpselt nagu arvutite puhul üldiselt. Näiteks Miranda kubiti pöörlemist juhitakse lihtsate käeliigutuste abil, pigem nagu viis, kuidas sealmin - mängitakse elektroonilist muusikainstrumenti.

Teine lähenemisviis on teerajajaks Jim Weaver, IBMi kvantteadlane Yorktown Heightsi uurimiskeskus New Yorgis, kes on välja töötanud Kvantmänguklaver. See on muusikaline tööriist, mis kasutab kvantarvutit meloodiate ja harmooniate tõenäosuslikuks genereerimiseks, kasutades kubiti olekute mõõtmise loomupärast juhuslikkust. määrake noodid.

[Varjatud sisu]

Weaver on sellised ideed juba välja töötanud Kvantmuusika mänguväljak, milles kasutajasõbralik liides võimaldab kasutajal manipuleerida kvantolekutega, et luua mitmest instrumendist koosnevaid kompositsioone. "[Inimesed] saavad ringi sebida, kuni muusika kõlab nii, nagu nad soovivad," ütleb Weaver. "See on Blochi sfääride muusika," ironiseerib ta, vihjates vanale arusaamale kosmilisest "taevasfääride muusikast" (idee, et Päikese, Kuu ja planeetide suhteline liikumine on muusika vorm).

See süsteem töötab tegelikult klassikalise kvantolekute simulatsioonil, mida viib läbi tavaline arvuti, mitte tõeline kvantseade. Selle põhjuseks on asjaolu, et see nõuab kvantoleku täielikku tundmist – mida ei saa teha tõelise kubiidi puhul, kuna mõõtmine ajab oleku kokku. Weaver, kes peab seda tööriista nii harivaks kui ka muusikaliseks, loodab, et see aitab õpilastel (ja muusikutel) arendada kvantarvutusalgoritmide intuitsiooni. Töö ei pruugi mitte ainult muusikat muuta, vaid tuua kasu ka kvantteadusele.

Teine võimalus tehniliste tõkete ületamiseks on muusikutel liituda kvantuurimisringkondadega. See on Ameerika helilooja lähenemisviis Spencer Topel, kes 2019. aastal oli kunstnik-resident at Yale'i kvantinstituut, kus elavad kvanttehnoloogia eksperdid nagu Michel Devoret ja Robert Schoelkopf. Yale'is töötamise ajal lõi Topel elav esitus milles muusika toodeti enamikus praegustes kvantarvutites kubitidena kasutatavate ülijuhtivate kvantseadmete dünaamika mõõtmise põhjal.

[Varjatud sisu]

Muusikutel võiks kasu olla ka kvantmehaanika õppimisest. "Heliloojad peavad olema teadlikud," märgib Mannone, "sest kõik, eriti teaduses, võib olla inspiratsiooniallikaks." Tõepoolest, nõutav teadmiste tase ei pea olema nii hirmutav. Nagu ta märgib, teevad mõned neist, kes praegu teiste rakenduste jaoks kvantkoodi kirjutavad, "suurepäraselt tööd, omades samas ainult põhiteadmisi kvantväravatest ja põhimõtetest".

Mannone on oma töös kasutanud muusika analüüsimiseks kvantfüüsikat – näiteks avatud kvantsüsteemide mälu kvantifitseerimiseks välja töötatud tehnika abil, et mõõta muusikateostes esinevate korduste ja sarnasuste hulka (Journal of Creative Music Systems doi.org/10.5920/jcms.975).

Kuulake sellest kõigest

Kui mõtlete, kus saaksite ise kvantmuusikat kuulata, on Miranda sihiks eelseisva koostöö kaudu Londoni Sinfoniettaga kontserdisaalis otseesinemine. Ta näeb ka ette, et selline komponeerimine imbub vähem formaalsetesse keskkondadesse, näiteks klubidesse, võib-olla läbi "Reaalajas kodeerimise" liikumine, uus esituskunst, milles DJ-laadsed kodeerijad kirjutavad programme audiovisuaalse meedia juhtimiseks improviseeritud ja interaktiivsel viisil, võib-olla kombineerituna tantsu, luule ja muusikaga (näidet saate kuulata aadressil bit.ly/3Z8hUDg).

Kogukonna kasvu stimuleerimiseks tegi Miranda 2021. aasta novembris koostööd IBM Quantumi ja Quantinumiga, et korraldada esimene Rahvusvaheline kvantarvutite ja muusikalise loovuse sümpoosion. "Me ei tea veel, millised on kvantmuusika võimalused," ütles Quantinumi toonane tegevjuht. Iljas Khan Goethe Instituudi üritusel – ja võib juhtuda, et kvantmuusika küpsedes sarnaneb see vähe sellega, mida teevad tänapäeva pioneerid. "Need esimesed kaks kuni kolm aastat on eksperimentaalsed, " ütleb ta.

Miranda loodab, et võib olla võimalik väljendada heliga kvantmõisteid, nagu takerdumine ja sidusus, mida on intellektuaalselt raske mõista. "See on püha graal," ütleb ta. "Ma tahan seda saavutada, kuid ma ei tea, kuidas." Kuid Coecke jaoks on see kõik kvantmõtlemisele ülemineku katalüüsimine. "Kui panna asjad kvantmaailmas kokku, tekib äkki uus võimaluste universum."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/