Peut-on utiliser des ordinateurs quantiques pour faire de la musique ?

Le Goethe-Institut, en face de l'Imperial College de Londres, n'est pas le genre d'endroit où l'on s'attendrait à rencontrer de l'art avant-gardiste de pointe. Avec sa façade néoclassique et une histoire de fourniture Cours d'allemand, il ne semble guère le type de lieu pour accueillir un événement qui comprend des musiciens comme Peter Gabriel et les Brian Eno, ainsi qu'un certain nombre de physiciens quantiques. Mais les sons émanant de son amphithéâtre en décembre dernier étaient plutôt inattendus : des drones, des bips et des rafales de rythmes sauvages s'apparentant davantage à la bande originale d'un film underground expérimental.

C'était, en fait, le son de l'informatique quantique.

L'événement a réuni environ 150 personnes, qui ont écouté une performance musicale improvisée orchestré par le compositeur et informaticien brésilien Eduardo ReckMiranda, qui est actuellement basé à l'Université de Plymouth au Royaume-Uni. Dans une pièce, Miranda et deux collègues utilisaient chacun leur propre ordinateur portable, qui était connecté à un ordinateur quantique sur Internet, pour contrôler - via des gestes de la main - l'état d'un bit quantique (qubit). Lorsque l'état du qubit a été mesuré, le résultat a dicté les caractéristiques des sons créés par les synthétiseurs à Londres.

Si cela semble bizarre - eh bien, oui, c'est vraiment le cas.

Je veux développer des machines qui m'aideront à être créatif et défieront ma façon habituelle de faire les choses

Eduardo Miranda, Université de Plymouth

En informatique quantique, les informations sont codées dans des états de superposition de qubits intriqués, ce qui permet d'effectuer certains calculs bien plus efficacement qu'avec les machines classiques. Bien que ces appareils soient encore des prototypes confinés aux laboratoires de géants de la technologie tels que IBM et les Google, des compositeurs comme Miranda sont impatients de découvrir ce que la nouvelle technologie peut leur offrir. « Je veux développer des machines qui m'aideront à être créatif et qui mettront au défi ma façon habituelle de faire les choses », dit-il.

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L'informatique quantique, estime Miranda, "favorise une façon différente de penser, [qui à son tour] conduira à différentes façons de penser la musique". C'est un point de vue partagé par Bob Coecke - un autre collaborateur de Miranda - qui est physicien à la société d'informatique quantique basée à Oxford quantique. "Si vous changez votre façon de voir les choses et le langage que vous utilisez, vous sortez avec des idées complètement nouvelles", déclare Coecke.

Je suis fasciné de savoir comment [cette musique] fonctionne.

Brian Eno, musicien

La musique quantique est actuellement un domaine résolument de niche, mais qui suscite un intérêt de haut niveau. En effet, l'événement Goethe-Institut a été convoqué pour marquer le lancement d'un nouveau livre édité par Miranda, Informatique musicale quantique, qui prétend être le tout premier livre sur le sujet (Springer, 2022). Coecke, quant à lui, prévoit cette année un mash-up art/science quantique à Oxford avec Miranda et le théoricien italien Carlos Rovelli.

"Je suis fasciné de savoir comment [cette musique] fonctionne", a déclaré Eno après la performance du Goethe-Institut dans une interview avec le Goethe-Institut. "Il m'est difficile de porter un jugement, car vous ne savez pas combien de ces décisions ont été prises par des humains, et combien ressortent de ce type différent d'intelligence."

Un partenariat naturel

L'idée d'utiliser des algorithmes de type informatique dans la musique remonte aux années 1840, lorsque le scientifique et mathématicien Ada Lovelace d'abord spéculé sur l'utilisation de Charles Babbage Machine analytique – une sorte d'appareil de calcul steampunk fabriqué à partir de réseaux complexes de rouages ​​​​en laiton – pour «composer des morceaux de musique élaborés et scientifiques de tout degré de complexité ou d'étendue». À certains égards, c'était un partenariat naturel, car une grande partie de la musique elle-même a une base algorithmique et mathématique, reflétée par les symétries apparentes dans les œuvres de compositeurs baroques tels que Johann Sebastian Bach.

L'utilisation du hasard et de la probabilité dans la composition "automatisée" est devenue populaire encore plus tôt, dans le Jeu de musique musical (jeux de dés musicaux) du 18ème siècle, dans lesquels de petits morceaux de musique étaient assemblés à l'aide de lancers de dés. Une composition prétendument écrit par Mozart en 1787 peut être un exemple du genre. Il aurait été joué par Mozart lançant plusieurs fois une paire de dés, le nombre lancé à chaque occasion correspondant à une section musicale pré-écrite particulière. Le résultat a été une composition assemblée au hasard qui différait à chaque performance, que vous pouvez écouter à bit.ly/3HivOLk.

C'est cet élément de hasard qui a attiré les compositeurs modernistes vers les ordinateurs au début des machines numériques. Dans les années 1950 et 1960, John Cage était au centre d'un groupe de musiciens new-yorkais férus de technologie qui comprenait Yoko Ono et le regretté compositeur japonais Toshi Ichiyanagi, dont la partition ambiguë de 1960 IBM pour Merce Cunningham a été inspiré par les cartes perforées des premiers ordinateurs. Exposée au Musée d'Art Moderne de New York, sa partition est autant une œuvre d'art qu'un véritable morceau de musique - la manière dont elle doit être interprétée (le cas échéant) dépend de tout interprète potentiel.

Cage était également l'un des nombreux artistes impliqués dans le Expériences en art et technologie collectif, qui comprenait des ingénieurs de Laboratoires Bell dans le New Jersey, où Cage traînait pour avoir des idées. En usant du hasard, explique-t-il, il espérait éviter le piège de se répéter dans ses compositions.

Pour l'instant, nous faisons [de la musique quantique] de manière très naïve car les machines sont limitées.

Bob Coecke, Quantinum

Dans les années 1960 et 1970, le compositeur gréco-français Iannis Xénakis – un élève du compositeur français Olivier Messiaen – a incorporé des ordinateurs, des algorithmes et divers processus stochastiques dans ses méthodes de composition. Pendant ce temps, l'institut parisien de l'IRCAM, fondé par le compositeur Pierre Boules, est devenu une plaque tournante de la musique d'avant-garde dans les années 1970, faisant un usage intensif des ordinateurs, des générateurs de signaux, des bandes magnétiques et d'autres ressources électroniques.

La technologie de l'information numérique est désormais au cœur de la production et de la reproduction de la musique grand public. Certains des algorithmes et du matériel de traitement du signal qui sont omniprésents dans la musique et la vidéo aujourd'hui ont été développés aux Bell Labs - et il serait difficile d'imaginer l'industrie de la musique moderne sans ce type de technologie numérique. Il était donc inévitable qu'à mesure que les ordinateurs quantiques se sont transformés au cours des deux dernières décennies d'une proposition théorique à de vraies machines, les musiciens seraient curieux de savoir ce que ces appareils pourraient faire pour eux.

Une révolution quantique

Les ressources informatiques quantiques accessibles au public sont cependant relativement limitées, de sorte que Miranda est limitée à l'utilisation d'un processeur à sept qubits refroidi cryogéniquement. IBM Quantum appareil hébergé à New York, accessible via le cloud. Miranda admet qu'il n'y a rien, jusqu'à présent, dans les algorithmes quantiques qu'il utilise pour créer ses compositions qui ne puisse pas être simulé avec un ordinateur classique. "Pour l'instant, nous faisons [de la musique quantique] de manière très naïve car les machines sont limitées", ajoute Coecke.

Pourtant, comme l'explique Miranda, certains des algorithmes qu'il développe seraient déjà coûteux et lents en termes de calcul sur des appareils classiques, et difficiles à mettre en œuvre en direct en temps réel lors d'un concert. Mais la vitesse de calcul n'est pas vraiment le problème principal lorsqu'il s'agit d'utiliser la physique quantique pour composer de la musique. Le grand attrait des algorithmes quantiques est plutôt en tant que source d'aléatoire dans les choix musicaux.

Comme pour certaines musiques informatiques antérieures, des paramètres particuliers de la partition musicale, tels que la hauteur ou la durée d'une note, peuvent être attribués à des choix aléatoires effectués par la machine. Mais alors que les ordinateurs classiques n'offrent qu'une sorte de pseudo-aléatoire généré de manière algorithmique, les dispositifs quantiques accèdent au véritable caractère aléatoire impliqué dans le résultat d'une mesure quantique. L'univers, pourrait-on dire, fait les choix. De plus, cela peut être fait en temps réel.

Comment grandir et se développer si on n'explore pas d'autres voies ?

Craig Stratton, violoniste

Miranda imagine un compositeur attribuant un algorithme particulier à un morceau de musique, qui est ensuite joué via un ordinateur quantique lors d'une performance. En d'autres termes, l'ordinateur quantique peut être distant, comme il l'était lors de l'événement de Londres, mais renvoie simplement ses résultats de mesure à, disons, un générateur de sons classique. « Vous établissez les conditions, mais vous n'êtes pas complètement sûr de ce que cela va produire tant que la pièce n'est pas jouée », dit Miranada. "La performance sera unique pour ce moment particulier."

L'événement du Goethe-Institut a montré d'autres façons dont la musique quantique pourrait fonctionner. En un seul morceau, le violoniste britannique Craig Stratton improvise une courte mélodie. La hauteur et la durée de chaque note étaient représentées sous forme d'états quantiques qui étaient ensuite envoyés à l'ordinateur IBM à New York. Là, l'appareil a traité les états pour formuler une réponse qui a été "remusicalisée" et lue à Londres par un synthétiseur de tonalité (dans ce cas en utilisant un son de saxophone) quelques instants plus tard.

Des algorithmes d'IA d'apprentissage en profondeur pour une telle improvisation musicale « appel et réponse » ont déjà été conçus. Mais selon Miranda, ces algorithmes ont tendance à produire de simples pastiches de la musique sur laquelle ils sont formés. Les ordinateurs quantiques, en revanche, se comporteront probablement "plus comme un partenaire que comme un imitateur". En effet, les réponses mélodiques générées par ordinateur aux improvisations de Stratton ressemblaient peu aux stimuli qui les avaient provoquées, ne conservant que quelques échos alléchants des sons initiaux.

Stratton, qui a trouvé le processus intrigant, pense que les ordinateurs quantiques ont certainement une place dans le développement de la musique. « Comment grandir et se développer si on n'explore pas d'autres voies ? il demande.

Têtes de Bloch

Dans un autre article, Miranda et ses collègues de Plymouth Pierre Thomas et les Paulo Itaboraí utilisé diverses interfaces informatiques pour manipuler "Sphères de Bloch". Nommé d'après le physicien lauréat du prix Nobel Félix Bloch, ces sphères sont des figures géométriques qui décrivent les composantes vectorielles d'un système quantique à deux niveaux (les points à la surface étant des états purs et ceux à l'intérieur étant des états mixtes). Lors de l'événement de Londres, Miranda et Itaborai portaient une bague et un gant de détection de mouvement pour transmettre les signaux de contrôle par des gestes de la main à un ordinateur portable, tandis que Thomas utilisait un panneau de boutons.

Ces signaux ont été transmis à un circuit quantique fonctionnant à distance sur l'ordinateur quantique IBM, où les musiciens ont fait pivoter l'orientation d'une sphère de Bloch (dont une représentation visuelle a été projetée sur un écran derrière les interprètes). À certains moments, les exécutants pouvaient choisir de « mesurer » leur qubit, le « condensant » ainsi dans un état de sortie défini mais fondamentalement imprévisible. (Vous pouvez essayer vous-même une simulation classique du processus à bit.ly/41fXVnr).

Le son qui en résulte sera toujours surprenant. Nous ne savons pas ce que ce sera jusqu'à ce que nous fassions la mesure

Eduardo Miranda, Université de Plymouth

La valeur de cet état a ensuite été utilisée pour déterminer les paramètres du son généré par trois synthétiseurs sonores attribués à chaque interprète. "Le son qui en résulte sera toujours surprenant", déclare Miranda. "Nous ne savons pas ce que ce sera jusqu'à ce que nous fassions la mesure." Les trois interprètes ont ensuite répondu à ce qu'ils ont entendu avec leurs mouvements de main ultérieurs, faisant du résultat une collaboration constante à la fois entre chaque musicien et son instrument et aussi entre eux.

Miranda appelle la performance une improvisation répétée. "Nous l'avons pratiqué plusieurs fois auparavant et nous nous sommes mis d'accord sur certaines choses que nous ferions, un peu comme ce que font les joueurs de jazz", dit-il. À cette occasion, les trois qubits étaient indépendants, mais Miranda tient à trouver des moyens d'enchevêtrer les qubits afin que chacun dépende des autres, ce qui rend les musiciens eux-mêmes littéralement couplés de nouvelles manières.

Un nouveau genre de musique

Exploiter l'informatique quantique pour faire de la musique, c'est "comme apprendre à jouer d'un nouvel instrument de musique", déclare Maria Mannon, un physicien théoricien travaillant sur l'information quantique à l'Université de Palerme en Italie, qui est également compositeur. « Il faut apprendre à jouer la musique qu'on veut, mais en même temps, les spécificités du nouvel instrument peuvent créer des contraintes et suggérer des idées particulières.

Miranda soupçonne qu'une façon d'exploiter les possibilités consiste à faire en sorte qu'un ordinateur quantique produise des fragments musicaux inattendus qui fournissent les noyaux d'idées à développer pour le compositeur, plutôt de la manière dont la musique générée par l'IA est actuellement utilisée. "J'essaie", dit-il, "d'amener la machine à me donner du matériel que je n'aurais pas trouvé moi-même - des idées avec lesquelles je peux travailler."

Tout, en particulier dans les sciences, peut être une source d'inspiration

Maria Mannone, Université de Palerme, Italie

L'un des obstacles actuels à l'expansion du domaine est la méconnaissance et la complexité technique de la mécanique quantique elle-même. Le nouveau livre de Miranda Informatique musicale quantique n'est pas un manuel pour les timides, étant rempli de fonctions d'onde et d'algèbre matricielle. Les musiciens seront intimidés, tandis que les physiciens et les ingénieurs qui comprennent la théorie ont tendance à avoir peu de connaissances sur les traditions musicales.

Mais il espère que des interfaces conviviales seront développées pour abaisser la barrière à l'entrée, tout comme elles l'ont fait pour l'informatique en général. Les rotations des qubits de Miranda, par exemple, sont contrôlées par de simples gestes de la main, un peu comme la façon dont le theremin – un instrument de musique électronique – est joué.

Une autre approche est mise au point par Jim Tisserand, scientifique quantique chez IBM Centre de recherche de Yorktown Heights à New York, qui a développé le Piano jouet quantique. C'est un outil musical qui utilise un ordinateur quantique pour générer des mélodies et des harmonies de manière probabiliste, en utilisant le caractère aléatoire inhérent à la mesure des états de qubit pour attribuer les notes.

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Weaver a déjà développé de telles idées dans le Terrain de jeu de musique quantique, dans lequel une interface conviviale permet à l'utilisateur de manipuler des états quantiques pour créer des compositions multi-instruments. "[Les gens] peuvent jouer du violon jusqu'à ce que la musique sonne comme ils le souhaitent", explique Weaver. "C'est la musique des sphères de Bloch", ironise-t-il, faisant allusion à la vieille notion d'une "musique des sphères célestes" cosmique (l'idée que les mouvements relatifs du Soleil, de la Lune et des planètes sont une forme de musique).

Ce système fonctionne en fait sur une simulation classique d'états quantiques effectuée par un ordinateur conventionnel, plutôt que sur un véritable dispositif quantique. En effet, cela nécessite une connaissance complète de l'état quantique - ce qui ne peut pas être fait pour un vrai qubit car une mesure effondre l'état. Weaver, qui considère l'outil comme à la fois éducatif et musical, espère qu'il pourra aider les étudiants (et les musiciens) à développer une intuition pour les algorithmes d'informatique quantique. Le travail pourrait non seulement changer la musique, mais aussi profiter à la science quantique.

Une autre option pour surmonter les barrières techniques sera pour les musiciens de s'intégrer dans la communauté de la recherche quantique. C'est l'approche adoptée par le compositeur américain Spencer Topel, qui en 2019 était artiste en résidence at Institut quantique de Yale, qui abrite des experts de la technologie quantique tels que Michel Dévoret et les Robert Schoelkopf. Au cours de son passage à Yale, Topel a créé un spectacle vivant dans lequel la musique a été produite à partir de mesures de la dynamique des dispositifs quantiques supraconducteurs utilisés comme qubits dans la plupart des ordinateurs quantiques actuels.

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Les musiciens pourraient également tirer profit de l'apprentissage d'un peu de mécanique quantique. "Les compositeurs doivent être bien informés", souligne Mannone, "car tout, en particulier dans les sciences, peut être une source d'inspiration." En effet, le niveau de connaissances requis n'a pas besoin d'être aussi intimidant. Comme elle le souligne, certains de ceux qui écrivent maintenant du code quantique pour d'autres applications "font un travail magnifique tout en n'ayant qu'une connaissance de base des portes et des principes quantiques".

Dans son propre travail, Mannone a utilisé la physique quantique pour analyser la musique - par exemple, en utilisant une technique développée pour quantifier la mémoire des systèmes quantiques ouverts pour mesurer les quantités de répétition et de similitude qui apparaissent dans les compositions musicales (Journal des systèmes de musique créative est ce que je.org/10.5920/jcms.975).

Tout entendre à ce sujet

Si vous vous demandez où vous pourriez écouter de la musique quantique par vous-même, Miranda a pour objectif une performance en direct dans une salle de concert grâce à une prochaine collaboration avec le London Sinfonietta. Il prévoit également que ce type de composition s'infiltre dans des cadres moins formels tels que les clubs, peut-être via le mouvement « codage en direct », un nouvel art de la performance dans lequel des codeurs de type DJ écrivent des programmes pour contrôler les médias audiovisuels de manière improvisée et interactive, peut-être combinés avec de la danse, de la poésie et de la musique (vous pouvez écouter un exemple sur bit.ly/3Z8hUDg).

Pour stimuler la croissance de la communauté, en novembre 2021, Miranda a collaboré avec IBM Quantum et Quantinuum pour héberger le premier Symposium international sur l'informatique quantique et la créativité musicale. "Nous ne savons pas encore quelles sont les possibilités de la musique quantique", a déclaré le directeur général de Quantinuum. Ilyas Khan lors de l'événement du Goethe-Institut - et il se peut qu'à mesure que la musique quantique mûrisse, elle aura peu de ressemblance avec ce que font les pionniers d'aujourd'hui. « Ces deux ou trois premières années sont expérimentales », dit-il.

Miranda espère qu'il deviendra possible d'exprimer – en son – des concepts quantiques tels que l'intrication et la cohérence qui sont difficiles à comprendre intellectuellement. « C'est le Saint Graal », dit-il. "Je veux y parvenir mais je ne sais pas comment." Mais pour Coecke, il s'agit de catalyser un passage à la pensée quantique. "Si vous assemblez les choses dans le monde quantique, un nouvel univers de possibilités émerge soudainement."

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