量子コンピューターを使って音楽を作ることはできますか?

　 ゲーテ・インスティトゥートロンドンのインペリアル カレッジの向かいにある . 新古典主義のファサードと提供の歴史を持つ ドイツ語クラスのようなミュージシャンを含むイベントを主催するような会場とは思えません。 ピーター・ガブリエル および ブライアン·イーノ、多くの量子物理学者とともに。 しかし、昨年XNUMX月に講義室から発せられた音は、かなり予想外でした.ドローン、ブリープ、ワイルドビートのバーストは、実験的なアンダーグラウンド映画のサウンドトラックに似ています.

実際、これは量子コンピューティングの音でした。

イベントには約150人が参加し、話を聞いていました。 即興の音楽演奏 ブラジルの作曲家でコンピューター科学者のオーケストレーション エドゥアルド・レック・ミランダ、現在、英国のプリマス大学に拠点を置いています。 ミランダと XNUMX 人の同僚は、インターネット経由で量子コンピューターに接続された自分のラップトップを使用して、手のジェスチャーを介して量子ビット (キュービット) の状態を制御していました。 量子ビットの状態が測定されたとき、その結果は、ロンドンに戻ってシンセサイザーによって作成された音の特性を決定しました。

奇妙に聞こえるかもしれませんが、そうです。

創造性を発揮し、通常のやり方に挑戦するマシンを開発したい

エドゥアルド・ミランダ、プリマス大学

量子コンピューティングでは、エンタングルされたキュービットの重ね合わせ状態で情報がエンコードされるため、一部の計算は従来のマシンよりもはるかに効率的に実行できます。 これらのデバイスはまだ、次のようなハイテク大手の研究所に限定されたプロトタイプですが IBM および でログイン、ミランダのような作曲家は、新しいテクノロジーが彼らに何を提供できるかを知りたがっています。 「私は創造性を発揮し、私の通常のやり方に挑戦するのに役立つ機械を開発したいと考えています」と彼は言います。

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ミランダは、量子コンピューティングは「異なる考え方を促進し、それが音楽についての異なる考え方につながる」と信じています。 が共有する見解です。 ボブ・コーク – ミランダのもう一人の共同研究者 – オックスフォードに本拠を置く量子コンピューティング会社の物理学者 量子. 「物事の見方や使用する言語を変えると、まったく新しいアイデアが生まれます」と Coecke は言います。

[この音楽]がどのように機能するかを知りたいと思っています。

ブライアン・イーノ、ミュージシャン

量子音楽は現在明らかにニッチな分野ですが、注目を集めている分野でもあります。 実際、ゲーテ インスティトゥートのイベントは、ミランダが編集した新しい本の出版を記念して開催されました。 量子コンピューター音楽、これはこの主題に関する史上初の本であると主張しています（Springer、2022）。 一方、Coecke は今年、ミランダとイタリアの理論家と共にオックスフォードで量子芸術と科学のマッシュアップを計画している カーロ・ロベリ.

「[この音楽] がどのように機能するかを知りたいと思っています」とイーノは、ゲーテ インスティトゥートでの公演後、ゲーテ インスティトゥートとのインタビューで語っています。 「私が判断を下すのは難しいです。なぜなら、それらの決定のどの程度が人間によってなされたのか、そしてどの程度がその異なる種類の知性からもたらされているのかをあなたは知らないからです.」

自然なパートナーシップ

音楽にコンピューターのようなアルゴリズムを使用するというアイデアは、科学者であり数学者でもあった 1840 年代にさかのぼります。 エイダラヴェレス チャールズ・バベッジの使用について最初に推測された 分析機器 – 真鍮の歯車の複雑な配列から作られた一種のスチームパンクな計算装置 – 「あらゆる程度の複雑さまたは程度の精巧で科学的な音楽を作曲する」. いくつかの点で、それは自然なパートナーシップでした。なぜなら、音楽自体の多くは、ヨハン セバスチャン バッハなどのバロック作曲家の作品に見られる対称性に反映された、アルゴリズム的および数学的基礎を持っているからです。

「自動化された」作曲における偶然性と確率の使用は、より早くから一般的になりました。 音楽祭 サイコロを振って小さな音楽を組み立てる 18 世紀の (ミュージカル サイコロ ゲーム)。 XNUMX つの構成 1787年にモーツァルトによって書かれたと言われている ジャンルの一例かもしれません。 それは、モーツァルトが一対のサイコロを何度も転がすことによって演奏されたものであり、そのたびに出された数字は、音楽の特定の事前に書かれたセクションに対応しています。 その結果、パフォーマンスごとに異なるランダムにつなぎ合わされた構成が生まれました。 bit.ly/3HivOLk.

デジタルマシンの黎明期にモダニストの作曲家をコンピューターに惹きつけたのは、このランダム性の要素でした。 1950年代から1960年代にかけて、 ジョンケージ テクノロジーを愛するニューヨークを拠点とするミュージシャンのグループの中心にいました。 オノ·ヨーコ そして故日本人作曲家 一柳敏、あいまいな1960年のスコア マース・カニンガムのための IBM 初期のコンピューターのパンチ カードに触発されました。 にて展示中 ニューヨークの近代美術館、彼のスコアは実際の音楽作品と同じくらい芸術作品です。それをどのように解釈するかは、潜在的な演奏者次第です。

ケージはまた、 アートとテクノロジーの実験 からのエンジニアを含む集合体 ニュージャージー州のベル研究所、ケージがたむろしてアイデアを得る場所。 偶然を利用することで、彼は自分の作曲で自分自身を繰り返すという罠を避けたいと考えていたと彼は説明した.

今のところ、マシンが限られているため、非常に単純な方法で [量子音楽] を行っています。

ボブ・コーク、Quantinuum

1960 年代と 1970 年代のギリシャ系フランス人の作曲家 ヤニス・クセナキス – フランスの作曲家の弟子 オリヴィエ・メシアン – コンピューター、アルゴリズム、さまざまな確率的プロセスを彼の作曲方法に組み込みました。 一方、作曲家によって設立されたパリを拠点とする IRCAM 研究所 ピエール·ブーレーズは、1970 年代にアバンギャルド音楽の中心地となり、コンピューター、信号発生器、磁気テープ、その他の電子リソースを幅広く利用しました。

デジタル情報技術は現在、主流音楽の制作と再生の中心となっています。 今日の音楽とビデオで広く使われている信号処理アルゴリズムとハードウェアの一部はベル研究所で開発されたものであり、そのようなデジタル技術のない現代の音楽業界を想像するのは難しいでしょう. したがって、過去 XNUMX 年間で量子コンピューターが理論上の提案から実際のマシンに変化したため、ミュージシャンがこれらのデバイスが自分たちにどのような効果をもたらすかについて興味を持つことは間違いなく避けられませんでした。

量子革命

ただし、公開されている量子コンピューティング リソースは比較的限られているため、ミランダは極低温で冷却された XNUMX キュービットのコンピューターの使用に制限されています。 IBMクアンタム クラウド経由でアクセスする、ニューヨークにあるデバイス。 ミランダは、これまでのところ、古典的なコンピューターでもシミュレートできなかった作品を作成するために使用する量子アルゴリズムには何もないことを認めています. 「今のところ、マシンが限られているため、非常に単純な方法で [量子音楽] を行っています」と Coecke 氏は付け加えます。

それでも、ミランダが説明するように、彼が開発しているアルゴリズムの一部は、すでに計算コストが高く、従来のデバイスでは遅く、コンサートでリアルタイムにライブで実装するのは困難です。 しかし、量子物理学を使用して音楽を作成する場合、計算速度は実際には主要な問題ではありません。 むしろ、量子アルゴリズムの大きな魅力は、音楽の選択におけるランダム性の源です。

以前のコンピューターベースの音楽と同様に、ピッチや音符の長さなど、楽譜の特定のパラメーターを、マシンによってランダムに選択されたものに割り当てることができます。 しかし、古典的なコンピュータが提供するのは一種のアルゴリズム的に生成された疑似ランダム性のみであるのに対し、量子デバイスは、量子測定の結果に含まれる真のランダム性にアクセスします。 宇宙が選択をする、とあなたは言うかもしれません。 さらに、これはリアルタイムで実行できます。

他の道を探らなければ、どのように成長し発展するのでしょうか?

クレイグ・ストラットン、バイオリニスト

ミランダは、作曲家が特定のアルゴリズムを曲に割り当て、それがパフォーマンス中に量子コンピューターを介して再生されることを想像しています。 言い換えれば、量子コンピューターは、ロンドンのイベントのようにリモートにすることができますが、測定結果をたとえば古典的な音源に送り返すだけです。 「条件を設定しますが、作品が演奏されるまで、それが何を生み出すかは完全にはわかりません」とミラナダは言います。 「パフォーマンスは、その特定の瞬間だけのものになるでしょう。」

ゲーテ・インスティトゥートのイベントは、量子音楽が機能する可能性がある別の方法を示しました。 ワンピースでは、英国のバイオリニスト クレイグ・ストラットン 短い曲を即興で。 各音のピッチと長さは量子状態として表され、ニューヨークの IBM コンピューターに送信されました。 そこで、デバイスは状態を処理して応答を作成し、それを「再音楽化」し、ロンドンでトーン シンセサイザー (この場合はサックスの音を使用) で再生しました。

このような音楽の「呼び出しと応答」の即興演奏のためのディープラーニング AI アルゴリズムは、すでに考案されています。 しかし、ミランダによると、これらのアルゴリズムは、訓練された音楽の単なる模倣を生成する傾向があります. 対照的に、量子コンピューターはおそらく「模倣者というよりパートナーのように」振る舞うでしょう。 実際、ストラットンの即興演奏に対するコンピューター生成の旋律的反応は、最初の音の食欲をそそる反響をわずかに残しただけで、それらを引き起こした刺激とはほとんど似ていなかった。

このプロセスに興味をそそられたストラットンは、量子コンピューターが音楽の発展に確実に位置を占めると信じています。 「他の道を探らなければ、私たちはどのように成長し発展するのでしょうか?」 彼は尋ねます。

ブロッホヘッド

別の作品では、ミランダと彼のプリマスの同僚 ピート・トーマス および パウロ イタボライ さまざまなコンピューター インターフェイスを使用して操作した 「ブロッホ球」. ノーベル賞を受賞した物理学者にちなんで名付けられました フェリックス・ブロッホ、これらの球は、XNUMX レベルの量子システムのベクトル コンポーネントを表す幾何学的図形です (表面の点は純粋な状態であり、内部の点は混合状態です)。 ロンドンのイベントで、ミランダとイタボライは動きを感知するリングと手袋を着用し、手のジェスチャーで制御信号をラップトップに送信し、トーマスはノブのパネルを使用しました.

これらの信号は、IBM 量子コンピューター上でリモートで実行されている量子回路に供給され、そこでミュージシャンはブロッホ球の向きを回転させました (その視覚的表現はパフォーマーの後ろのスクリーンに投影されました)。 特定の時点で、パフォーマーは自分の量子ビットを「測定」することを選択でき、それによって明確ではあるが基本的に予測不可能な出力状態に「崩壊」することができました。 (次のサイトで、プロセスの古典的なシミュレーションを自分で試すことができます。 bit.ly/41fXVnr).

結果として得られる音は、常に驚くべきものです。 測定してみないとどうなるかわからない

エドゥアルド・ミランダ、プリマス大学

次に、この状態の値を使用して、各パフォーマーに割り当てられた XNUMX つのサウンド シンセサイザーによって生成されるサウンドのパラメーターを決定しました。 「結果として得られるサウンドは、常に驚くべきものになるでしょう」とミランダは言います。 「測定を行うまで、それがどうなるかはわかりません。」 XNUMX 人のパフォーマーは、その後の手の動きで聞いたことに反応し、結果として、各ミュージシャンと楽器の間、そしてお互いの間の絶え間ないコラボレーションが実現しました。

ミランダは、パフォーマンスをリハーサルされた即興演奏と呼んでいます。 「私たちはそれを数回前に練習し、ジャズ奏者がするのとほとんど同じように、いくつかのことをすることに同意しました」と彼は言います. 今回は、XNUMX つのキュービットはすべて独立していましたが、ミランダはキュービットを絡み合わせて、それぞれが他のキュービットに依存するようにする方法を見つけたいと考えています。これにより、ミュージシャン自身が文字通り新しい方法で結合されます。

新しい種類の音楽

音楽制作に量子コンピューティングを利用することは、「新しい楽器の演奏方法を学ぶようなものです」と述べています マリア・マンノーネイタリアのパレルモ大学で量子情報に取り組んでいる理論物理学者であり、作曲家でもあります。 「自分たちが望む音楽を演奏する方法を学ばなければなりませんが、同時に、新しい楽器の特定の機能が制約を生み出し、特定のアイデアを示唆する可能性があります。」

Miranda は、この可能性を活用する XNUMX つの方法は、AI によって生成された音楽が現在使用されている方法ではなく、作曲家が開発するためのアイデアの核を提供する予期しない音楽の断片を量子コンピューターに思い起こさせることではないかと考えています。 「私は努力しています」と彼は言います。

あらゆるもの、特に科学においては、インスピレーションの源になり得ます

Maria Mannone、パレルモ大学、イタリア

この分野の拡大に対する現在の障害の XNUMX つは、量子力学自体のまったくの不慣れと技術的な複雑さです。 ミランダの新しい本 量子コンピューター音楽 波動関数と行列代数でいっぱいなので、気弱な人のためのマニュアルではありません。 理論を理解している物理学者やエンジニアは、音楽の伝統についてほとんど知識がない傾向がありますが、ミュージシャンは気が遠くなるでしょう。

しかし彼は、一般的なコンピューティングの場合と同じように、参入障壁を下げるユーザーフレンドリーなインターフェースが開発されることを望んでいます。 たとえば、ミランダの量子ビットの回転は、単純な手のジェスチャーによって制御されます。 テルミン – 電子楽器 – が演奏されます。

別のアプローチは、 ジム・ウィーバー、IBMの量子科学者 ヨークタウン ハイツ リサーチ センター を開発したニューヨークで、 クォンタム・トイ・ピアノ. これは、量子コンピューターを使用してメロディーとハーモニーを確率的に生成する音楽ツールであり、量子ビット状態を測定する固有のランダム性を使用して、 ノートを割り当てる.

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ウィーバーはすでにそのようなアイデアを クォンタム ミュージック プレイグラウンド、ユーザーフレンドリーなインターフェースにより、ユーザーは量子状態を操作してマルチインストゥルメント構成を作成できます。 「[人々] は、音楽が自分の好きなように聞こえるまでいじることができます」とウィーバーは言います。 「それはブロッホ球の音楽だ」と彼は冗談を言い、宇宙の「天球の音楽」（太陽、月、惑星の相対的な動きが 音楽の一形態です).

このシステムは、実際の量子デバイスではなく、従来のコンピューターによって実行される量子状態の古典的なシミュレーションで実際に実行されます。 これは、量子状態の完全な知識が必要なためです。これは、測定によって状態が崩壊するため、実際のキュービットでは実行できません。 このツールを教育的かつ音楽的なものと見なしているウィーバーは、このツールが学生 (およびミュージシャン) が量子コンピューティング アルゴリズムの直感を養うのに役立つことを望んでいます。 この研究は音楽を変えるだけでなく、量子科学にも利益をもたらすかもしれません。

技術的な障壁を克服するためのもう XNUMX つのオプションは、ミュージシャンが量子研究コミュニティに参加することです。 それがアメリカの作曲家が取ったアプローチです スペンサー・トーペル、2019年に アーティスト・イン・レジデンス at エール量子研究所、次のような量子技術の専門家の本拠地 ミシェル・デヴォレ および ロベルト・スケルコップ. イェール大学在学中、トーペルは ライブパフォーマンス この音楽は、現在のほとんどの量子コンピューターで量子ビットとして使用されている超伝導量子デバイスのダイナミクスの測定から生成されました。

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ミュージシャンも、量子力学を少し学ぶことで恩恵を受けることができます。 「作曲家は知識が豊富でなければなりません。なぜなら、特に科学の分野では、すべてがインスピレーションの源になり得るからです」 確かに、必要な知識のレベルはそれほど難しいものである必要はありません。 彼女が指摘するように、現在他のアプリケーション用の量子コードを書いている人の中には、「量子ゲートと原理の基本的な知識しかなくても素晴らしい仕事をしている」人もいます。

彼女自身の研究では、マノンは量子物理学を使用して音楽を分析しました。たとえば、開放量子システムの記憶を定量化するために開発された技術を使用して、楽曲に現れる繰り返しと類似性の量を測定します (ジャーナル オブ クリエイティブ ミュージック システム doi.org/10.5920/jcms.975).

それについてすべて聞く

量子音楽を自分でどこで聞くことができるか疑問に思っているなら、ミランダはロンドン シンフォニエッタとのコラボレーションを通じて、コンサート ホールでのライブ パフォーマンスに照準を合わせています。 彼はまた、この種の作曲が、おそらく 「ライブコーディング」運動は、DJ のようなコーダーがオーディオビジュアル メディアを即興でインタラクティブな方法で制御するプログラムを作成し、おそらくダンス、詩、音楽と組み合わせた新しいパフォーマンス アートです (次の URL で例を聞くことができます)。 bit.ly/3Z8hUDg).

コミュニティの成長を刺激するため、2021 年 XNUMX 月、ミランダは IBM Quantum および Quantinuum と協力して最初の 量子コンピューティングと音楽的創造性に関する国際シンポジウム. Quantinuum の当時の最高経営責任者は、「量子音楽の可能性はまだわかりません」と述べています。 イリヤース・カーン ゲーテ・インスティトゥートのイベントでは、量子音楽が成熟するにつれて、今日の先駆者が行っていることとほとんど似ていない可能性があります. 「最初の XNUMX ～ XNUMX 年は実験的なものです」と彼は言います。

ミランダは、もつれやコヒーレンスなど、知的に直観するのが難しい量子概念を音で表現できるようになることを望んでいます。 「それが聖杯です」と彼は言います。 「実現したいけど方法がわからない…」 しかし、Coecke にとっては、量子思考への切り替えを促進することがすべてです。 「量子の世界で物事を組み合わせると、突然、新しい可能性の宇宙が出現します。」

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