Voimmeko käyttää kvanttitietokoneita musiikin tekemiseen?

- Goethe-Institut, vastapäätä Imperial Collegea Lontoossa, ei ole sellainen paikka, jossa voisi odottaa kohdattavansa huippuluokan avantgarde-taidetta. Sen uusklassinen julkisivu ja historia tarjoaa Saksan kielen tunnit, se tuskin vaikuta sellaiselta paikalta, jossa järjestetään tapahtuma, jossa on mukana muusikoita, kuten Peter Gabrielin ja Brian Eno, yhdessä useiden kvanttifyysikkojen kanssa. Mutta sen luentosalista viime joulukuussa lähteneet äänet olivat melko odottamattomia: droonit, piippaukset ja villien biittien purskeet muistuttavat enemmän kokeellisen underground-elokuvan ääniraitaa.

Tämä oli itse asiassa kvanttilaskennan ääni.

Tilaisuuteen osallistui noin 150 henkilöä, jotka olivat kuuntelemassa improvisoitu musiikkiesitys brasilialaisen säveltäjän ja tietojenkäsittelytieteilijän orkestroima Eduardo Reck Miranda, joka työskentelee tällä hetkellä Plymouthin yliopistossa Isossa-Britanniassa. Yhdessä kappaleessa Miranda ja kaksi kollegaa käyttivät kumpikin omia kannettavia tietokoneitaan, jotka oli yhdistetty kvanttitietokoneeseen Internetin kautta, ohjaamaan – käsieleiden avulla – kvanttibitin (qubit) tilaa. Kun kubitin tila mitattiin, tulos saneli Lontoossa syntetisaattoreiden luomien äänien ominaisuudet.

Jos se kuulostaa oudolta - kyllä, niin se todellakin oli.

Haluan kehittää koneita, jotka auttavat minua olemaan luovia ja haastavat normaalin tapani tehdä asioita

Eduardo Miranda, Plymouthin yliopisto

Kvanttilaskennassa informaatio koodataan kietoutuneiden kubittien superpositiotiloihin, mikä mahdollistaa joidenkin laskelmien suorittamisen paljon tehokkaammin kuin klassisilla koneilla on mahdollista. Vaikka nämä laitteet ovat edelleen prototyyppejä, jotka rajoittuvat teknisten jättiläisten laboratorioihin, kuten IBM ja Google, Mirandan kaltaiset säveltäjät haluavat tietää, mitä uusi tekniikka voi tarjota heille. "Haluan kehittää koneita, jotka auttavat minua olemaan luovia ja haastavat normaalin tapani tehdä asioita", hän sanoo.

[Upotetun sisällön]

Kvanttilaskenta, Miranda uskoo, "edistää erilaista ajattelutapaa, [joka puolestaan] johtaa erilaisiin ajattelutapoihin musiikista." Se on jakama näkemys Bob Coecke – toinen Mirandan yhteistyökumppaneista – joka on fyysikko Oxfordissa toimivassa kvanttilaskentayrityksessä Kvanttiuumi. "Jos muutat tapaa, jolla katsot asioita, ja käytät kieltä, saat täysin uusia ideoita", Coecke sanoo.

Minua kiinnostaa tietää kuinka [tämä musiikki] toimii.

Brian Eno, muusikko

Kvanttimusiikki on tällä hetkellä selkeästi niche-ala – mutta sellainen, joka herättää korkean profiilin kiinnostusta. Goethe-instituutin tapahtuma kutsuttiinkin koolle Mirandan toimittaman uuden kirjan julkaisun kunniaksi. Kvanttinen tietokonemusiikki, joka väittää olevansa ensimmäinen kirja aiheesta (Springer, 2022). Coecke puolestaan ​​suunnittelee kvanttitaiteen ja tieteen yhdistelmää Oxfordissa tänä vuonna Mirandan ja italialaisen teoreetikon kanssa. Carlo rovelli.

"Olen kiinnostunut tietämään, kuinka [tämä musiikki] toimii", sanoi Eno Goethe-instituutin esityksen jälkeen Goethe-instituutin haastattelussa. "Minun on vaikea tehdä arviota, koska et tiedä kuinka suuren osan noista päätöksistä tekivät ihmiset ja kuinka paljon tuosta erilaisesta älykkyydestä tulee ulos."

Luonnollinen kumppanuus

Ajatus tietokoneen kaltaisten algoritmien käyttämisestä musiikissa juontaa juurensa 1840-luvulle, jolloin tiedemies ja matemaatikko Ada Lovelace spekuloi ensin Charles Babbagen käyttämisestä Analyyttinen kone - eräänlainen steampunk-laskentalaite, joka on valmistettu monimutkaisista messinkihammasryhmistä - "säveltämään monimutkaisia ​​ja tieteellisiä musiikkikappaleita, joiden monimutkaisuus tai laajuus on mikä tahansa". Jollain tapaa se oli luonnollinen kumppanuus, sillä suurella osalla musiikista itsessään on algoritminen ja matemaattinen perusta, joka heijastuu barokkisäveltäjien, kuten Johann Sebastian Bachin, teoksissa ilmeneviin symmetrioihin.

Sattuman ja todennäköisyyden käyttö "automaattisessa" sävellyksessä tuli suosituksi jo aikaisemmin, vuonna Musikalisches Würfelspiel (musikaaliset noppapelit) 18-luvulta, joissa pieniä musiikkikappaleita koottiin nopparullien avulla. Yksi koostumus väitetään Mozartin kirjoittaman vuonna 1787 voi olla esimerkki genrestä. Mozart olisi soittanut sitä monta kertaa noppaa heittämällä, ja joka kerta heitetty numero vastaisi tiettyä ennalta kirjoitettua musiikin osaa. Tuloksena oli satunnaisesti yhteen ommeltu joka esityksessä erottuva sävellys, jota voit kuunnella bit.ly/3HivOLk.

Juuri tämä satunnaisuuden elementti houkutteli modernistiset säveltäjät tietokoneisiin digitaalisten koneiden alkuaikoina. 1950- ja 1960-luvuilla John Cage oli keskellä teknologiaa rakastavien New Yorkissa toimivien muusikoiden ryhmää, johon kuului Yoko Ono ja edesmennyt japanilainen säveltäjä Toshi Ichiyanagi, jonka moniselitteinen tulos vuodelta 1960 IBM Merce Cunninghamille sai inspiraationsa varhaisten tietokoneiden reikäkorteista. Esillä osoitteessa Nykytaiteen museo New Yorkissa, hänen partituurinsa on yhtä paljon taideteos kuin varsinainen musiikkiteos – kuinka (jos se kaikki) se tulisi tulkita, on jokaisen mahdollisen esiintyjän päätettävissä.

Cage oli myös yksi monista taiteilijoista, jotka osallistuivat siihen Taiteen ja tekniikan kokeet kollektiivi, johon kuului insinöörejä Bell Laboratories New Jerseyssä, jossa Cage vietti aikaa ideoiden saamiseksi. Hän toivoi sattuman avulla välttyvän sävellyksissään toistamasta itseään.

Toistaiseksi teemme [kvanttimusiikkia] hyvin naiivilla tavalla, koska koneet ovat rajalliset.

Bob Coecke, Quantinuum

1960- ja 1970-luvuilla kreikkalais-ranskalainen säveltäjä Iannis Xenakis – ranskalaisen säveltäjän oppilas Olivier Messiaen – sisällytti säveltämismenetelmiinsä tietokoneita, algoritmeja ja erilaisia ​​stokastisia prosesseja. Sillä välin säveltäjän perustama Pariisissa sijaitseva IRCAM-instituutti Pierre Boulez, tuli avantgarde-musiikin keskus 1970-luvulla, jossa hyödynnettiin laajasti tietokoneita, signaaligeneraattoreita, magneettinauhaa ja muita elektronisia resursseja.

Digitaalinen tietotekniikka on nyt keskeisessä asemassa valtavirran musiikin tuotannossa ja toistossa. Jotkut signaalinkäsittelyalgoritmeista ja -laitteistoista, jotka ovat nykyään kaikkialla musiikissa ja videossa, kehitettiin Bell Labsissa – ja olisi vaikea kuvitella nykyaikaista musiikkiteollisuutta ilman tällaista digitaalitekniikkaa. Oli siis varmasti väistämätöntä, että kun kvanttitietokoneet ovat muuttuneet viimeisen kahden vuosikymmenen aikana teoreettisesta ehdotuksesta todellisiksi koneiksi, muusikot olisivat uteliaita siitä, mitä nämä laitteet voisivat tehdä heille.

Kvanttivallankumous

Julkisesti saatavilla olevat kvanttilaskentaresurssit ovat kuitenkin suhteellisen rajalliset, joten Miranda rajoittuu käyttämään seitsemän kubitin kryogeenisesti jäähdytettyä IBM Quantum New Yorkissa sijaitseva laite, jota käytetään pilven kautta. Miranda myöntää, että kvanttialgoritmeissa, joita hän käyttää sävellyksiensä tekemiseen, ei toistaiseksi ole olemassa mitään sellaista, jota ei voitaisi simuloida myös klassisella tietokoneella. "Tällä hetkellä teemme [kvanttimusiikkia] erittäin naiivilla tavalla, koska koneet ovat rajallisia", Coecke lisää.

Silti, kuten Miranda selittää, jotkin hänen kehittämänsä algoritmit olisivat jo nyt laskennallisesti kalliita ja hitaita klassisilla laitteilla, ja niitä on vaikea toteuttaa reaaliajassa konsertissa. Laskennallinen nopeus ei kuitenkaan ole pääkysymys, kun on kyse kvanttifysiikan käyttämisestä musiikin säveltämiseen. Kvanttialgoritmien suuri vetovoima on pikemminkin satunnaisuuden lähde musiikillisissa valinnoissa.

Kuten joidenkin aikaisempien tietokonepohjaisten musiikin kohdalla, nuotin tietyt parametrit, kuten sävelkorkeus tai sävelen kesto, voidaan määrittää koneen satunnaisiin valintoihin. Mutta kun klassiset tietokoneet tarjoavat vain eräänlaista algoritmisesti generoitua näennäissatunnaisuutta, kvanttilaitteet pääsevät käsiksi aitoon satunnaisuuteen, joka liittyy kvantimittauksen tulokseen. Universumi, voisi sanoa, tekee valinnat. Mikä parasta, tämä voidaan tehdä reaaliajassa.

Kuinka kasvamme ja kehitymme, jos emme tutki muita keinoja?

Craig Stratton, viulisti

Miranda kuvittelee säveltäjän määrittävän musiikille tietyn algoritmin, joka sitten toistetaan kvanttitietokoneella esityksen aikana. Toisin sanoen kvanttitietokone voi olla etänä, kuten se oli Lontoon tapahtumassa, mutta se yksinkertaisesti lähettää mittaustuloksensa takaisin vaikkapa klassiseen äänigeneraattoriin. "Asetat olosuhteet, mutta et ole täysin varma, mitä se tuottaa ennen kuin teos on esitetty", Miranada sanoo. "Esitys on ainutlaatuinen sillä hetkellä."

Goethe-Instituutin tapahtuma osoitti muita tapoja, joilla kvanttimusiikki voisi toimia. Yhdessä kappaleessa brittiläinen viulisti Craig Stratton improvisoi lyhyen sävelmän. Jokaisen sävelen sävelkorkeus ja kesto esitettiin kvanttitiloina, jotka sitten lähetettiin IBM-tietokoneelle New Yorkiin. Siellä laite käsitteli tiloja muotoillakseen vastauksen, joka "musikalisoitiin" ja toistettiin Lontoossa äänisyntetisaattorilla (tässä tapauksessa saksofoniäänellä) hetken kuluttua.

Syväoppivia tekoälyalgoritmeja tällaiselle musiikilliselle "puhelu ja vastaus" -improvisaatiolle on jo kehitetty. Mutta Mirandan mukaan noilla algoritmeilla on taipumus tuottaa vain pastisseja musiikista, johon ne on koulutettu. Kvanttitietokoneet sitä vastoin todennäköisesti käyttäytyvät "enemmän kuin kumppani kuin jäljittelijä". Itse asiassa tietokoneella luodut melodiset vastaukset Strattonin improvisaatioihin kuulostivat vähän niitä ärsykkeiltä, ​​jotka provosoivat niitä, säilyttäen vain muutaman kiehtovan kaiun alkuperäisistä äänistä.

Stratton, joka piti prosessia kiehtovana, uskoo, että kvanttitietokoneilla on varmasti paikkansa musiikin kehityksessä. "Kuinka kasvamme ja kehitymme, jos emme tutki muita keinoja?" hän kysyy.

Bloch päät

Toisessa kappaleessa Miranda ja hänen Plymouth-kollegansa Pete Thomas ja Paulo Itaborai käyttänyt erilaisia ​​tietokonerajapintoja manipulointiin "Bloch-pallot". Nimetty Nobel-palkitun fyysikon mukaan Felix Bloch, nämä pallot ovat geometrisia kuvioita, jotka kuvaavat kaksitasoisen kvanttijärjestelmän vektorikomponentteja (pinnan pisteet ovat puhtaita tiloja ja sisällä olevat sekatilat). Lontoon tapahtumassa Miranda ja Itaborai käyttivät liiketunnistinrengasta ja -käsinettä siirtääkseen ohjaussignaaleja käsieleillä kannettavaan tietokoneeseen, kun taas Thomas käytti nuppeja.

Nämä signaalit syötettiin etäkäyttöön IBM:n kvanttitietokoneella toimivaan kvanttipiiriin, jossa muusikot käänsivät Bloch-pallon suuntaa (jonka visuaalinen esitys heijastettiin esiintyjien takana olevalle näytölle). Tiettyinä aikoina esiintyjät saattoivat halutessaan "mittaa" omaa kubittiaan ja siten "luottaa" sen tiettyyn, mutta pohjimmiltaan arvaamattomaan lähtötilaan. (Voit kokeilla itse prosessin klassista simulaatiota osoitteessa bit.ly/41fXVnr).

Tuloksena oleva ääni on aina yllättävä. Emme tiedä mitä se tulee olemaan ennen kuin teemme mittauksen

Eduardo Miranda, Plymouthin yliopisto

Tämän tilan arvoa käytettiin sitten kolmen kullekin esiintyjälle osoitetun äänisyntetisaattorin tuottaman äänen parametrien määrittämiseen. "Tuloksena oleva ääni on aina yllättävä", Miranda sanoo. "Emme tiedä mitä se tulee olemaan ennen kuin teemme mittauksen." Sitten kolme esiintyjää vastasivat kuulemaansa myöhemmillä kädenliikkeillään, mikä teki tuloksesta jatkuvaa yhteistyötä sekä kunkin muusikon ja instrumentin välillä että myös keskenään.

Miranda kutsuu esitystä harjoitelluksi improvisaatioksi. "Harjoittelimme sitä muutaman kerran ja sovimme muutamasta asiasta, jota tekisimme, melko paljon kuten jazzin soittajat tekevät", hän sanoo. Tässä tapauksessa kaikki kolme kubittia olivat itsenäisiä, mutta Miranda haluaa löytää tapoja sotkea kubitit niin, että kukin on riippuvainen muista – jolloin muusikot itse yhdistyvät kirjaimellisesti uusilla tavoilla.

Uudenlainen musiikki

Kvanttilaskennan hyödyntäminen musiikin tekemiseen on "kuin oppisi soittamaan uutta instrumenttia" Maria Mannone, kvanttiinformaation parissa työskentelevä teoreettinen fyysikko Palermon yliopistossa Italiassa, joka on myös säveltäjä. "Meidän on opittava soittamaan haluamaamme musiikkia, mutta samalla uuden instrumentin erityispiirteet voivat luoda rajoitteita ja ehdottaa tiettyjä ideoita."

Miranda epäilee, että yksi tapa hyödyntää mahdollisuuksia on saada kvanttitietokone keksimään odottamattomia musiikillisia fragmentteja, jotka tarjoavat säveltäjälle idean ytimet kehittyä, pikemminkin tavalla, jolla tekoälyn tuottamaa musiikkia tällä hetkellä käytetään. "Yritän", hän sanoo, "saamaan koneen antamaan minulle materiaalia, jota en itse keksisi – ideoita, joiden kanssa voin työskennellä."

Kaikki, erityisesti tieteissä, voi olla inspiraation lähde

Maria Mannone, Palermon yliopisto, Italia

Yksi tämän hetken esteistä alan laajentumiselle on itse kvanttimekaniikan tuntemattomuus ja tekninen monimutkaisuus. Mirandan uusi kirja Kvanttinen tietokonemusiikki ei ole heikkohermoisille tarkoitettu käsikirja, joka on täynnä aaltofunktioita ja matriisialgebraa. Muusikot ovat peloissaan, kun taas teoriaa ymmärtävillä fyysikoilla ja insinööreillä on yleensä vähän tietoa musiikillisista perinteistä.

Hän kuitenkin toivoo, että kehitetään käyttäjäystävällisiä käyttöliittymiä, jotka alentavat markkinoille pääsyn estettä, aivan kuten ne ovat tehneet tietojenkäsittelyssä yleensä. Esimerkiksi Mirandan qubit-kiertoja ohjataan yksinkertaisilla käsieleillä, kuten tapa, jolla Theremin – soitetaan elektronista soitinta.

Toinen lähestymistapa on edelläkävijä Jim Weaver, IBM:n kvanttitutkija Yorktown Heightsin tutkimuskeskus New Yorkissa, joka on kehittänyt Kvanttilelupiano. Se on musiikkityökalu, joka käyttää kvanttitietokonetta melodien ja harmonien luomiseen todennäköisyydellä käyttämällä kubitin tilojen mittaamiseen luontaista satunnaisuutta. antaa muistiinpanot.

[Upotetun sisällön]

Weaver on jo kehittänyt tällaisia ​​ideoita Quantum Music Playground, jossa käyttäjäystävällinen käyttöliittymä antaa käyttäjälle mahdollisuuden manipuloida kvanttitiloja luodakseen usean instrumentin sävellyksiä. "[Ihmiset] voivat vipuilla, kunnes musiikki kuulostaa siltä kuin he haluavat sen olevan", Weaver sanoo. "Se on Bloch-sfäärien musiikkia", hän vitsailee viitaten vanhaan käsitykseen kosmisesta "taivaanpallojen musiikista" (ajatus siitä, että Auringon, Kuun ja planeettojen suhteelliset liikkeet ovat musiikin muoto).

Tämä järjestelmä itse asiassa toimii perinteisellä kvanttitilojen simulaatiolla, joka suoritetaan perinteisellä tietokoneella todellisen kvanttilaitteen sijaan. Tämä johtuu siitä, että se vaatii täydellistä tietoa kvanttitilasta – mitä ei voida tehdä todelliselle kubitille, koska mittaus romuttaa tilan. Weaver, joka pitää työkalua sekä opettavaisena että musiikillisena, toivoo, että se voi auttaa opiskelijoita (ja muusikoita) kehittämään intuitiota kvanttilaskenta-algoritmeihin. Teos saattaa paitsi muuttaa musiikkia myös hyödyttää kvanttitieteitä.

Toinen vaihtoehto teknisten esteiden voittamiseksi on se, että muusikot uppoavat kvanttitutkimusyhteisöön. Tämä on amerikkalaisen säveltäjän lähestymistapa Spencer Topel, joka oli vuonna 2019 residenssitaiteilija at Yalen kvanttiinstituutti, joka on koti kvanttiteknologian asiantuntijoille, kuten Michel Devoret ja Robert Schoelkopf. Työnsä aikana Yalessa Topel loi live-esitys jossa musiikki tuotettiin useimpien nykyisten kvanttitietokoneiden qubitteinä käytettyjen suprajohtavien kvanttilaitteiden dynamiikan mittauksista.

[Upotetun sisällön]

Myös muusikot voisivat hyötyä hieman kvanttimekaniikasta. "Säveltäjien on oltava asiantuntevia", Mannone huomauttaa, "koska kaikki, erityisesti tieteissä, voi olla inspiraation lähde." Vaaditun tiedon tason ei todellakaan tarvitse olla niin pelottava. Kuten hän huomauttaa, jotkut niistä, jotka nyt kirjoittavat kvanttikoodia muihin sovelluksiin, "tekevät upeaa työtä samalla kun heillä on vain perustiedot kvanttiporteista ja periaatteista".

Omassa työssään Mannone on käyttänyt kvanttifysiikkaa musiikin analysointiin – esimerkiksi käyttämällä tekniikkaa, joka on kehitetty kvantifioimaan avoimien kvanttijärjestelmien muistia, mittaamaan sävellyksissä esiintyvien toistojen ja samankaltaisuuden määrää (Journal of Creative Music Systems doi.org/10.5920/jcms.975).

Kuuntele kaikki siitä

Jos mietit, missä voisit kuulla kvanttimusiikkia itsellesi, Miranda näkee live-esityksessä konserttisalissa tulevan yhteistyön London Sinfoniettan kanssa. Hän näkee myös tällaisen säveltämisen soluttautuvan vähemmän muodollisiin ympäristöihin, kuten klubeihin, kenties "livekoodaus" -liike, uusi esitystaide, jossa DJ:n kaltaiset kooderit kirjoittavat ohjelmia ohjatakseen audiovisuaalista mediaa improvisoidulla ja interaktiivisella tavalla, mahdollisesti yhdistettynä tanssiin, runouteen ja musiikkiin (voit kuunnella esimerkkiä osoitteessa bit.ly/3Z8hUDg).

Stimuloidakseen yhteisön kasvua Miranda teki marraskuussa 2021 yhteistyötä IBM Quantumin ja Quantinuumin kanssa järjestääkseen ensimmäisen Kansainvälinen symposium kvanttitietokoneista ja musiikillisesta luovuudesta. "Emme vielä tiedä, mitkä ovat kvanttimusiikin mahdollisuudet", sanoi Quantinuumin silloinen toimitusjohtaja. Iljas Khan Goethe-Institut -tapahtumassa – ja voi olla, että kvanttimusiikin kypsyessä se ei juurikaan muistuta nykyisten pioneerien tekemistä. "Nämä ensimmäiset kaksi tai kolme vuotta ovat kokeellisia", hän sanoo.

Miranda toivoo, että voisi tulla mahdollista ilmaista – äänellä – kvanttikäsitteitä, kuten kietoutumista ja koherenssia, joita on vaikea intuitoida älyllisesti. "Se on pyhä malja", hän sanoo. "Haluan saavuttaa tämän, mutta en tiedä miten." Mutta Coeckelle kyse on siirtymisen katalysoimisesta kvanttiajatteluun. "Jos laitat asiat yhteen kvanttimaailmassa, yhtäkkiä syntyy uusi mahdollisuuksien universumi."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/