Használhatunk kvantumszámítógépet zenéléshez?

A Goethe-Institut, szemben a londoni Imperial College-vel, nem az a fajta hely, ahol az élvonalbeli avantgárd művészettel találkozhat az ember. Neoklasszikus homlokzatával és szolgáltató múltjával német nyelvórák, aligha tűnik olyan helyszínnek, ahol olyan eseményeket rendeznének, ahol olyan zenészek szerepelnek, mint Peter Gabriel és a Brian Eno, számos kvantumfizikussal együtt. A tavaly decemberi előadóteremből kiszűrődő hangok azonban meglehetősen váratlanok voltak: drónok, csipogások és vad ütemek robbanásai inkább egy kísérleti underground film hangsávjához hasonlítanak.

Ez valójában a kvantumszámítás hangja volt.

Az eseményen mintegy 150 ember vett részt, akik hallgatták rögtönzött zenés előadás a brazil zeneszerző és informatikus hangszerelte Eduardo Reck Miranda, aki jelenleg az Egyesült Királyságban, a Plymouth Egyetemen dolgozik. Egy darabban Miranda és két kollégája saját laptopját használta, amelyek az interneten keresztül kvantumszámítógéphez voltak csatlakoztatva, hogy kézmozdulatokkal szabályozzák egy kvantumbit (qubit) állapotát. A qubit állapotának mérése során az eredmény meghatározta a szintetizátorok által előállított hangok jellemzőit Londonban.

Ha ez bizarrnak hangzik – igen, valóban így volt.

Olyan gépeket akarok fejleszteni, amelyek segítenek kreatívnak lenni, és kihívást jelentenek a szokásos munkamódszereimnek

Eduardo Miranda, Plymouth Egyetem

A kvantumszámítás során az információkat összefonódott qubitek szuperpozíciós állapotaiban kódolják, ami lehetővé teszi bizonyos számítások sokkal hatékonyabb végrehajtását, mint a klasszikus gépekkel. Bár ezek az eszközök még mindig prototípusok, amelyek olyan technológiai óriások laboratóriumaira korlátozódnak, mint pl IBM és a Google, az olyan zeneszerzők, mint Miranda, szívesen felfedezik, mit tud nekik nyújtani az új technológia. „Olyan gépeket akarok fejleszteni, amelyek segítenek kreatívnak lenni, és kihívást jelentenek a szokásos munkamódszereimnek” – mondja.

[Beágyazott tartalmat]

Miranda úgy véli, hogy a kvantumszámítástechnika „egy másfajta gondolkodást segít elő, [ami viszont] a zenéről való gondolkodás különböző módozataihoz vezet”. Ez egy közös nézet Bob Coecke – Miranda másik munkatársa – aki az oxfordi székhelyű kvantumszámítási vállalat fizikusa Kvantinum. „Ha megváltoztatod azt, ahogyan a dolgokról nézel, és a használt nyelvezeten, teljesen új ötletekkel állunk elő” – mondja Coecke.

Lenyűgözött, hogy tudom, hogyan működik [ez a zene].

Brian Eno, zenész

A kvantumzene jelenleg határozottan szűk terület, amely azonban nagy érdeklődést vált ki. Valójában a Goethe Intézet rendezvényét egy új, Miranda által szerkesztett könyv bemutatása alkalmából hívták össze. Kvantum számítógépes zene, amely állítása szerint az első könyv a témában (Springer, 2022). Coecke eközben egy kvantumművészet/tudomány összecsapást tervez Oxfordban idén Mirandával és az olasz teoretikussal. Carlo rovelli.

„Lenyűgözött, hogy tudom, hogyan működik [ez a zene]” – mondta Eno a Goethe-Institut előadása után a Goethe Intézetnek adott interjújában. "Nehéz döntést hoznom, mert nem tudod, hogy ezekből a döntésekből mennyit hoztak emberek, és mennyi jön ki ebből a másfajta intelligenciából."

Természetes partnerség

A számítógépszerű algoritmusok zenei alkalmazásának ötlete az 1840-es évekre nyúlik vissza, amikor egy tudós és matematikus Ada Lovelace először Charles Babbage használatáról spekulált Elemző gép – egyfajta steampunk számolóeszköz, amely rézfogak bonyolult tömbjéből készül – „kidolgozott és tudományos zeneművek komponálására, bármilyen bonyolultságú vagy kiterjedésű”. Bizonyos szempontból ez természetes partnerség volt, mivel a zene nagy részének algoritmikus és matematikai alapja van, amit a barokk zeneszerzők, például Johann Sebastian Bach műveiben megnyilvánuló szimmetriák tükröznek.

A véletlen és a valószínűség használata az „automatizált” kompozícióban még korábban, a Musikalisches Würfelspiel századi zenei kockajátékok, amelyekben kockadobások segítségével kis zenedarabokat állítottak össze. Egy kompozíció állítólag Mozart írta 1787-ben példa lehet a műfajra. Mozart játszotta volna sokszor egy pár dobókockával, és a minden alkalommal dobott szám egy bizonyos előre megírt zenei szakasznak felel meg. Az eredmény egy véletlenszerűen összefűzött, minden előadásban eltérő kompozíció lett, amit meg is hallgathattok bit.ly/3HivOLk.

A véletlenszerűségnek ez az eleme vonzotta a modernista zeneszerzőket a számítógépekhez a digitális gépek korai időszakában. Az 1950-es és 1960-as években John Cage egy tech-szerető New York-i zenészből álló csoport középpontjában állt Yoko Ono és a néhai japán zeneszerző Toshi Ichiyanagi, amelynek kétértelmű 1960-as pontszáma IBM a Merce Cunningham számára a korai számítógépek lyukkártyái ihlették. Kiállítva a Modern Művészetek Múzeuma New Yorkban, partitúrája éppúgy műalkotás, mint tényleges zenemű – hogyan (ha mindezt) értelmezni kell, az minden lehetséges előadón múlik.

Cage is egyike volt annak a számos művésznek, akik részt vettek a munkában Művészeti és technológiai kísérletek kollektíva, amelybe mérnökök tartoztak Bell Laboratories New Jerseyben, ahol Cage lógna ötleteket meríteni. Kifejtette, a véletlen felhasználásával azt remélte, hogy elkerülheti azt a csapdát, hogy szerzeményeiben önmagát ismételje.

Egyelőre nagyon naiv módon csináljuk a [kvantumzenét], mert a gépek korlátozottak.

Bob Coecke, Quantinuum

Az 1960-as és 1970-es években a görög-francia zeneszerző Iannis Xenakis – a francia zeneszerző tanítványa Olivier Messiaen – komponálási módszereibe számítógépeket, algoritmusokat és különféle sztochasztikus folyamatokat épített be. Eközben a párizsi székhelyű IRCAM intézet, amelyet zeneszerző alapított Pierre Boulez, az 1970-es években az avantgárd zene központjává vált, széles körben használta a számítógépeket, jelgenerátorokat, mágnesszalagokat és egyéb elektronikus forrásokat.

A digitális információs technológia ma már központi szerepet játszik a mainstream zene előállításában és reprodukálásában. A zenében és videóban ma mindenütt jelenlévő jelfeldolgozó algoritmusok és hardverek egy részét a Bell Labs fejlesztette ki – és nehéz lenne elképzelni a modern zeneipart ilyen digitális technika nélkül. Minden bizonnyal elkerülhetetlen volt tehát, hogy miközben a kvantumszámítógépek az elmúlt két évtizedben elméleti javaslatból valódi gépekké változtak, a zenészek kíváncsiak lettek volna arra, hogy ezek az eszközök mit tehetnek számukra.

Kvantum forradalom

A nyilvánosan elérhető kvantumszámítási erőforrások azonban viszonylag korlátozottak, ezért a Miranda csak hét qubites, kriogén hűtésű rendszert használ. IBM Quantum New Yorkban található eszköz, amely a felhőn keresztül érhető el. Miranda elismeri, hogy a kompozícióinak elkészítéséhez használt kvantum-algoritmusokban egyelőre nincs olyan, amit ne lehetne klasszikus számítógéppel is szimulálni. „Egyelőre nagyon naiv módon csináljuk a [kvantumzenét], mert a gépek korlátozottak” – teszi hozzá Coecke.

Ennek ellenére, ahogy Miranda elmagyarázza, az általa kifejlesztett algoritmusok némelyike ​​már számításilag költséges és lassú lenne a klasszikus eszközökön, és nehéz lenne megvalósítani élőben, egy koncerten. De valójában nem a számítási sebesség a fő probléma, amikor a kvantumfizika felhasználásáról van szó zeneszerzésre. A kvantumalgoritmusok vonzereje inkább a véletlenszerűség forrása a zenei választásokban.

Mint néhány korábbi számítógépes zene esetében, a kotta meghatározott paraméterei, mint például a hangmagasság vagy a hang időtartama, hozzárendelhetők a gép véletlenszerű választásaihoz. De míg a klasszikus számítógépek csak egyfajta algoritmikusan generált pszeudo-véletlenséget kínálnak, a kvantumeszközök hozzáférnek a kvantummérés kimenetelében rejlő valódi véletlenszerűséghez. Mondhatni, az univerzum dönt. Sőt, ez valós időben is megtehető.

Hogyan növekedjünk és fejlődjünk, ha nem keresünk más utakat?

Craig Stratton, hegedűművész

Miranda elképzeli, hogy egy zeneszerző egy bizonyos algoritmust rendel hozzá egy zeneműhöz, amelyet aztán kvantumszámítógépen keresztül játsszon le előadás közben. Vagyis a kvantumszámítógép lehet távoli is, mint a londoni rendezvényen volt, de egyszerűen visszaküldi a mérési eredményeit mondjuk egy klasszikus hanggenerátornak. „Te állítod be a feltételeket, de nem vagy teljesen biztos benne, mit fog produkálni, amíg a darabot el nem adják” – mondja Miranada. "Az előadás egyedülálló lesz abban a pillanatban."

A Goethe-Institut rendezvény más módszereket is bemutatott a kvantumzene működésére. Egy darabban a brit hegedűművész Craig Stratton rögtönzött egy rövid dallamot. Az egyes hangok hangmagasságát és időtartamát kvantumállapotokként ábrázolták, amelyeket aztán elküldtek a New York-i IBM számítógépre. Ott a készülék feldolgozta az állapotokat, hogy megfogalmazzon egy választ, amelyet „újra megzenésítettek”, és néhány pillanat múlva lejátszottak Londonban egy hangszintetizátorral (ebben az esetben szaxofonhanggal).

Az ilyen zenei „hívás és válasz” improvizációhoz már kidolgoztak mélyen tanuló mesterséges intelligencia-algoritmusokat. De Miranda szerint ezek az algoritmusok inkább csak pastiszokat készítenek a zenéből, amelyre tanítják őket. Ezzel szemben a kvantumszámítógépek valószínűleg „inkább partnerként, mint utánzóként fognak viselkedni”. Valójában a számítógéppel generált dallamválaszok Stratton improvizációira nem hasonlítottak az őket kiváltó ingerekre, csak néhány csábító visszhangot őriztek meg a kezdeti hangokból.

Stratton, aki érdekesnek találta a folyamatot, úgy véli, hogy a kvantumszámítógépeknek minden bizonnyal helyük van a zene fejlődésében. „Hogyan növekedjünk és fejlődjünk, ha nem keresünk más utakat?” kérdezi.

Bloch fejek

Egy másik darabban Miranda és plymouthi kollégái Pete Thomas és a Paulo Itaborai különféle számítógépes felületeket használt a manipulációhoz „Bloch gömbök”. A Nobel-díjas fizikusról nevezték el Felix Bloch, ezek a gömbök geometriai ábrák, amelyek egy kétszintű kvantumrendszer vektorkomponenseit írják le (a felületen lévő pontok tiszta állapotok, a belső pontok pedig kevert állapotok). A londoni eseményen Miranda és Itaborai mozgásérzékelő gyűrűt és kesztyűt viseltek, hogy kézmozdulatokkal továbbítsák a vezérlőjeleket egy laptopra, míg Thomas gombokat használt.

Ezeket a jeleket az IBM kvantumszámítógépén távolról futó kvantumáramkörre táplálták, ahol a zenészek egy Bloch-gömb tájolását forgatták (amelynek vizuális ábrázolását az előadók mögötti képernyőre vetítették). Az előadók bizonyos időpontokban dönthettek úgy, hogy „mérik” a qubitjüket, ezáltal „összecsukják” azt egy határozott, de alapvetően megjósolhatatlan kimeneti állapotba. (Maga is kipróbálhatja a folyamat klasszikus szimulációját a címen bit.ly/41fXVnr).

Az eredményül kapott hang mindig meglepő lesz. A mérésig nem tudjuk, mi lesz

Eduardo Miranda, Plymouth Egyetem

Ennek az állapotnak az értékével határozták meg az egyes előadókhoz rendelt három hangszintetizátor által generált hang paramétereit. „Az eredményül kapott hang mindig meglepő lesz” – mondja Miranda. "A mérésig nem tudjuk, mi lesz." A három előadó ezt követően kézmozdulataival reagált a hallottakra, így a végeredmény mind a zenész és hangszerük, mind pedig egymással folyamatos együttműködéssé vált.

Miranda begyakorolt ​​improvizációnak nevezi az előadást. „Korábban gyakoroltuk néhányszor, és megállapodtunk néhány dologban, amit meg fogunk tenni, nagyjából úgy, ahogy a jazzesek csinálják” – mondja. Ebből az alkalomból mindhárom qubit független volt, de Miranda nagyon szeretné megtalálni a módját a qubitek összefonására úgy, hogy mindegyik függjön a többitől – szó szerint új módon kapcsolva össze magukat a zenészeket.

Egy újfajta zene

A kvantumszámítástechnika zenéléshez való felhasználása olyan, mintha megtanulnánk játszani egy új hangszeren. Maria Mannone, az olaszországi Palermói Egyetemen kvantuminformációkon dolgozó elméleti fizikus, aki szintén zeneszerző. "Meg kell tanulnunk olyan zenét játszani, amit akarunk, ugyanakkor az új hangszer sajátosságai korlátokat teremthetnek, és konkrét ötleteket sugallhatnak."

Miranda azt gyanítja, hogy a lehetőségek kihasználásának egyik módja az, hogy egy kvantumszámítógépet váratlan zenei töredékekkel állítanak elő, amelyek a zeneszerző számára az ötletek magját adják, nem pedig abban a módban, ahogyan az AI által generált zenét jelenleg használják. „Azt próbálom elérni – mondja –, hogy a gép olyan anyagokat adjon nekem, amelyeket magamtól nem találnék ki – olyan ötleteket, amelyekkel dolgozhatok.”

Minden, különösen a tudományokban, inspiráció forrása lehet

Maria Mannone, Palermói Egyetem, Olaszország

A terület terjeszkedésének egyik jelenlegi akadálya magának a kvantummechanikának a puszta ismeretlensége és technikai összetettsége. Miranda új könyve Kvantum számítógépes zene nem egy kézikönyv a gyengécskéknek, tele van hullámfüggvényekkel és mátrixalgebrával. A zenészek megijednek, míg az elmélethez értő fizikusok és mérnökök általában kevéssé ismerik a zenei hagyományokat.

Reméli azonban, hogy olyan felhasználóbarát felületeket fognak kifejleszteni, amelyek csökkentik a belépési korlátot, csakúgy, mint általában a számítástechnikában. Miranda qubit forgását például egyszerű kézmozdulatokkal lehet vezérelni, mint ahogyan a ott – egy elektronikus hangszer – szólal meg.

Egy másik megközelítés úttörője Jim Weaver, az IBM kvantumkutatója Yorktown Heights Kutatóközpont New Yorkban, aki kidolgozta a Quantum Toy Piano. Ez egy olyan zenei eszköz, amely kvantumszámítógépet használ dallamok és harmóniák valószínűségi generálására, a qubit állapotok mérésének velejáró véletlenszerűségét felhasználva. hozzárendelni a jegyzeteket.

[Beágyazott tartalmat]

Weaver már kidolgozott ilyen ötleteket a Quantum Music Playground, amelyben egy felhasználóbarát felület lehetővé teszi a felhasználó számára a kvantumállapotok manipulálását több hangszeres kompozíciók létrehozásához. „[Az emberek] addig babrálhatnak, amíg a zene úgy szól, ahogyan szeretnék” – mondja Weaver. „Ez a Bloch-szférák zenéje” – viccelődik, utalva a kozmikus „az égi szférák zenéjének” régi fogalmára (az elképzelésre, hogy a Nap, a Hold és a bolygók egymáshoz viszonyított mozgása a zene egy formája).

Ez a rendszer valójában a kvantumállapotok klasszikus szimulációján fut, amelyet egy hagyományos számítógép hajt végre, nem pedig valódi kvantumeszköz. Ennek az az oka, hogy a kvantumállapot teljes ismeretére van szükség – ami egy valódi qubit esetében nem valósítható meg, mert a mérés összeomlik az állapotot. Weaver, aki az eszközt oktató jellegűnek és zeneinek is tartja, reméli, hogy segíthet a diákoknak (és a zenészeknek) a kvantumszámítási algoritmusok intuíciójának kialakításában. A munka nemcsak a zenét változtathatja meg, hanem a kvantumtudománynak is hasznára válik.

A technikai akadályok leküzdésének másik lehetősége az lesz, ha a zenészek beágyazódnak a kvantumkutatói közösségbe. Ez az amerikai zeneszerző megközelítése Spencer Topel, aki 2019-ben volt művész-rezidens at Yale Quantum Institute, olyan kvantumtechnológiai szakértők otthona, mint pl Michel Devoret és a Robert Schoelkopf. A Yale-en végzett munkája során Topel alkotott élő előadás amelyben a zenét a legtöbb jelenlegi kvantumszámítógépben qubitként használt szupravezető kvantumeszközök dinamikájának méréséből állították elő.

[Beágyazott tartalmat]

A zenészeknek is jól jönne, ha megtanulnának egy kis kvantummechanikát. „A zeneszerzőknek tájékozottaknak kell lenniük – mutat rá Mannone –, mert minden, különösen a tudományokban, inspiráció forrása lehet.” Valójában a megkívánt tudásszintnek nem kell olyan ijesztőnek lennie. Mint rámutat, néhányan, akik jelenleg más alkalmazásokhoz kvantumkódot írnak, „nagyszerű munkát végeznek, miközben csak alapvető ismeretekkel rendelkeznek a kvantumkapukról és az elvekről”.

Mannone saját munkájában a kvantumfizikát használta a zene elemzésére – például egy nyílt kvantumrendszerek memóriájának számszerűsítésére kifejlesztett technikával, hogy megmérje a zenei kompozíciókban megjelenő ismétlés és hasonlóság mértékét.Journal of Creative Music Systems doi.org/10.5920/jcms.975).

Halljon róla mindent

Ha kíváncsi arra, hogy hol hallhatna saját maga kvantumzenét, Miranda a London Sinfoniettával való közelgő együttműködés révén egy koncertteremben való élő előadásra tűzi ki magát. Azt is előre látja, hogy ez a fajta komponálás kevésbé formális helyszínekbe, például klubokba is beszivároghat, talán a „élő kódolás” mozgalom, egy új performansz művészet, amelyben a DJ-szerű kódolók programokat írnak az audiovizuális média improvizált és interaktív vezérlésére, esetleg tánccal, költészettel és zenével kombinálva (példát meghallgathat itt: bit.ly/3Z8hUDg).

A közösség növekedésének ösztönzése érdekében 2021 novemberében Miranda együttműködött az IBM Quantum-mal és a Quantinuummal, hogy otthont adjon az első Nemzetközi Szimpózium a kvantumszámítógépről és a zenei kreativitásról. "Még nem tudjuk, mik a lehetőségei a kvantumzenének" - mondta a Quantinuum akkori vezérigazgatója. Ilyas Khan a Goethe-Institut rendezvényen – és meglehet, hogy a kvantumzene érlelődése során aligha fog hasonlítani a mai úttörők tevékenységéhez. „Ez az első két-három év kísérleti jellegű” – mondja.

Miranda reméli, hogy lehetségessé válik olyan kvantumfogalmak hanggal történő kifejezése, mint az összefonódás és a koherencia, amelyeket intellektuálisan nehéz intuitálni. „Ez a Szent Grál” – mondja. – Szeretném ezt elérni, de nem tudom, hogyan. De Coecke számára ez a kvantumgondolkodásra való átállás katalizálása. "Ha a kvantumvilágban összerakja a dolgokat, hirtelen a lehetőségek új univerzuma jelenik meg."

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/