양자 컴퓨터를 사용하여 음악을 만들 수 있습니까?

XNUMXD덴탈의 괴테 - 인스 티 투트런던의 임페리얼 칼리지 맞은편에 있는 는 최첨단 아방가르드 예술을 만날 것으로 기대하는 곳이 아닙니다. 신고전주의 양식의 파사드와 제공의 역사 독일어 수업, 다음과 같은 뮤지션을 포함하는 이벤트를 주최하는 장소 유형은 아닌 것 같습니다. 피터 가브리엘 및 브라이언 이노, 다수의 양자 물리학자와 함께. 그러나 지난 XNUMX월 강의실에서 흘러나온 소리는 다소 예상치 못한 것이었다. 실험적인 언더그라운드 영화의 사운드트랙에 더 가까운 드론, 삐, 거친 비트의 파열.

이것은 사실 양자 컴퓨팅의 소리였습니다.

이날 행사에는 약 150여명이 참석했다. 즉흥 연주 브라질 작곡가이자 컴퓨터 과학자가 조율한 에두아르도 렉 미란다, 현재 영국 플리머스 대학에 기반을 두고 있습니다. 미란다와 두 명의 동료는 각각 인터넷을 통해 양자 컴퓨터에 연결된 자신의 노트북을 사용하여 손짓을 통해 양자 비트(큐비트)의 상태를 제어했습니다. 큐비트의 상태를 측정했을 때 그 결과는 런던에 있는 신디사이저에서 생성된 소리의 특성을 나타냈습니다.

이상하게 들린다면 - 네, 정말 그랬습니다.

창의력을 발휘하고 일상적인 작업 방식에 도전할 수 있는 기계를 개발하고 싶습니다.

에두아르도 미란다, 플리머스 대학교

양자 컴퓨팅에서 정보는 얽힌 큐비트의 중첩 상태로 인코딩되어 일부 계산을 기존 기계에서 가능한 것보다 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있습니다. 이러한 장치는 여전히 다음과 같은 기술 대기업의 실험실에 국한된 프로토타입이지만 IBM 및 구글, Miranda와 같은 작곡가들은 새로운 기술이 그들에게 무엇을 제공할 수 있는지 발견하고 싶어합니다. "저는 창의력을 발휘하고 일상적인 작업 방식에 도전할 수 있는 기계를 개발하고 싶습니다."라고 그는 말합니다.

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Miranda는 양자 컴퓨팅이 "다른 사고 방식을 촉진하고 [이는] 음악에 대한 다른 사고 방식으로 이어질 것"이라고 믿습니다. 에서 공유하는 보기입니다. 밥 쿠케 – 미란다의 또 다른 협력자 – 그는 옥스포드에 기반을 둔 양자 컴퓨팅 회사의 물리학자입니다. 양자. Coecke는 "사물을 보는 방식과 사용하는 언어를 바꾸면 완전히 새로운 아이디어가 나옵니다."라고 말합니다.

[이 음악]이 어떻게 작동하는지 알고 싶습니다.

뮤지션 브라이언 이노

양자 음악은 현재 확실히 틈새 분야이지만 세간의 이목을 끄는 분야입니다. 실제로 Goethe-Institut 행사는 Miranda가 편집한 새 책의 출시를 기념하기 위해 소집되었습니다. 양자 컴퓨터 음악, 이 주제에 대한 최초의 책이라고 주장합니다(Springer, 2022). 한편 Coecke는 올해 옥스포드에서 Miranda 및 이탈리아 이론가와 함께 양자 예술/과학 매시업을 계획하고 있습니다. 카를로 로벨리.

괴테-인스티투트와의 인터뷰에서 괴테-인스티투트 공연이 끝난 후 에노는 “[이 음악]이 어떻게 작동하는지 알고 싶다”고 말했다. "인간이 내린 결정이 얼마나 되는지, 다른 종류의 지능에서 나온 결정이 얼마나 되는지 모르기 때문에 판단하기가 어렵습니다."

자연스러운 파트너십

음악에 컴퓨터와 유사한 알고리즘을 사용한다는 아이디어는 과학자와 수학자 에이다 러브 레이스 Charles Babbage의 사용에 대해 처음으로 추측 분석 기계 – 복잡하게 배열된 황동 톱니로 만든 일종의 스팀펑크 계산 장치 – “복잡도나 범위에 관계없이 정교하고 과학적인 음악 작품을 작곡”합니다. 어떤 면에서는 음악 자체의 대부분이 요한 제바스티안 바흐(Johann Sebastian Bach)와 같은 바로크 작곡가의 작품에서 명백한 대칭에 의해 반영된 알고리즘 및 수학적 기반을 가지고 있기 때문에 자연스러운 파트너십이었습니다.

"자동화" 구성에서 우연과 개연성의 사용은 훨씬 더 일찍 대중화되었습니다. 뷔르펠슈필 음악 (음악 주사위 게임) 18세기의 주사위 굴림을 사용하여 작은 음악 조각을 조립했습니다. 하나의 구성 1787년 모차르트가 작곡한 것으로 추정되는 장르의 예일 수 있습니다. 그것은 모차르트가 한 쌍의 주사위를 여러 번 굴려서 연주했을 것이며, 각 경우에 던져진 숫자는 미리 작성된 특정 음악 섹션에 해당합니다. 그 결과 매 공연마다 다른 무작위로 조합된 구성이 만들어졌습니다. bit.ly/3HivOLk.

디지털 기계의 초기 시대에 모더니스트 작곡가들을 컴퓨터로 끌어들인 것은 바로 이러한 무작위성의 요소였습니다. 1950년대와 1960년대에는 존 케이지 다음을 포함한 기술을 사랑하는 뉴욕 기반 뮤지션 그룹의 중심에 있었습니다. 오노 요코 그리고 일본의 작곡가 이치 ​​야나기 토시, 모호한 1960 점수 Merce Cunningham을 위한 IBM 초기 컴퓨터의 펀치 카드에서 영감을 받았습니다. 전시중 뉴욕 현대미술관, 그의 점수는 실제 음악만큼이나 예술 작품입니다. 어떻게 해석되어야 하는가는 잠재적인 연주자에게 달려 있습니다.

Cage는 또한 예술과 기술 실험 의 엔지니어를 포함하는 집단 뉴저지의 벨 연구소, Cage가 아이디어를 얻기 위해 어울릴 것입니다. 그는 우연을 이용함으로써 자신의 작곡에서 자신을 반복하는 함정을 피하고 싶었다고 설명했습니다.

지금은 기계가 제한되어 있기 때문에 매우 순진한 방식으로 [양자 음악]을 하고 있습니다.

밥 쿠크, 퀀티뉴엄

1960년대와 1970년대 그리스-프랑스 작곡가 이아니스 제나키스 – 프랑스 작곡가의 학생 올리비에 메시앙 – 컴퓨터, 알고리즘 및 다양한 확률적 프로세스를 그의 작곡 방법에 통합했습니다. 한편, 작곡가가 설립한 파리에 기반을 둔 IRCAM 연구소는 피에르 불레즈, 컴퓨터, 신호 발생기, 자기 테이프 및 기타 전자 자원을 광범위하게 사용하면서 1970년대 아방가르드 음악의 허브가 되었습니다.

디지털 정보 기술은 이제 주류 음악의 제작 및 재생산의 중심이 되었습니다. 오늘날 음악과 비디오에서 흔히 볼 수 있는 일부 신호 처리 알고리즘과 하드웨어는 Bell Labs에서 개발되었습니다. 이러한 종류의 디지털 기술이 없는 현대 음악 산업을 상상하기는 어려울 것입니다. 그렇다면 지난 XNUMX년 동안 양자 컴퓨터가 이론적 제안에서 실제 기계로 변형됨에 따라 음악가들은 이러한 장치가 자신을 위해 무엇을 할 수 있는지 궁금해할 것입니다.

양자 혁명

그러나 공개적으로 사용 가능한 양자 컴퓨팅 리소스는 상대적으로 제한되어 있으므로 Miranda는 XNUMX큐비트의 극저온 냉각 장치를 사용하도록 제한됩니다. IBM 양자 클라우드를 통해 액세스할 수 있는 뉴욕에 있는 장치. Miranda는 자신의 구성을 만드는 데 사용하는 양자 알고리즘에 기존 컴퓨터로도 시뮬레이션할 수 없는 것이 지금까지 아무것도 없다는 것을 인정합니다. Coecke는 "기계가 제한되어 있기 때문에 지금은 매우 순진한 방식으로 [양자 음악]을 하고 있습니다."라고 덧붙입니다.

그러나 Miranda가 설명했듯이 그가 개발하고 있는 알고리즘 중 일부는 이미 계산 비용이 많이 들고 클래식 장치에서는 느리며 콘서트에서 실시간으로 구현하기 어려울 것입니다. 그러나 양자 물리학을 사용하여 음악을 작곡할 때 계산 속도는 실제로 주요 문제가 아닙니다. 양자 알고리즘의 가장 큰 매력은 오히려 음악 선택의 무작위성의 원천이라는 점입니다.

일부 초기 컴퓨터 기반 음악과 마찬가지로 음의 높이나 지속 시간과 같은 악보의 특정 매개변수를 기계가 임의로 선택한 항목에 할당할 수 있습니다. 그러나 기존 컴퓨터는 일종의 알고리즘으로 생성된 유사 무작위성만 제공하는 반면, 양자 장치는 양자 측정 결과와 관련된 진정한 무작위성에 액세스합니다. 우주가 선택을 한다고 말할 수 있습니다. 게다가 이것은 실시간으로 가능합니다.

다른 길을 모색하지 않는다면 우리는 어떻게 성장하고 발전할까요?

바이올리니스트 크레이그 스트래튼

Miranda는 작곡가가 음악에 특정 알고리즘을 할당한 다음 공연 중에 양자 컴퓨터를 통해 재생되는 것을 상상합니다. 즉, 양자 컴퓨터는 런던 행사에서와 같이 원격일 수 있지만 단순히 측정 결과를 고전적인 톤 제너레이터로 다시 보냅니다. Miranada는 “조건을 설정했지만 작품이 연주될 때까지 어떤 결과가 나올지 완전히 확신할 수 없습니다.”라고 말합니다. "특정 순간을 위한 공연은 특별할 것입니다."

Goethe-Institut 이벤트는 양자 음악이 작동할 수 있는 다른 방법을 보여주었습니다. 한 곡으로, 영국의 바이올리니스트 크레이그 스트래튼 즉흥적으로 짧은 곡을 만들었다. 각 음의 피치와 지속 시간은 양자 상태로 표시되어 뉴욕의 IBM 컴퓨터로 전송되었습니다. 그곳에서 장치는 "재음악화"된 응답을 공식화하기 위해 상태를 처리하고 잠시 후 런던에서 톤 신디사이저(색소폰 사운드 사용)에 의해 재생됩니다.

이러한 음악적 "호출 및 응답" 즉흥 연주를 위한 딥 러닝 AI 알고리즘은 이미 고안되었습니다. 그러나 Miranda에 따르면 이러한 알고리즘은 훈련된 음악의 단순한 파스티쉬를 생성하는 경향이 있습니다. 대조적으로 양자 컴퓨터는 아마도 "모방자보다 파트너처럼" 행동할 것입니다. 실제로 Stratton의 즉흥 연주에 대한 컴퓨터 생성 멜로디 응답은 초기 사운드의 감질나는 메아리를 몇 개만 유지하면서 자극을 유발한 자극과 거의 비슷하게 들렸습니다.

흥미로운 과정을 발견한 Stratton은 양자 컴퓨터가 확실히 음악 개발에 자리를 잡고 있다고 믿습니다. “다른 길을 모색하지 않는다면 어떻게 성장하고 발전할 수 있겠습니까?” 그는 묻습니다.

블로흐 헤드

또 다른 작품에서 Miranda와 그의 Plymouth 동료들은 피트 토마스 및 파울로 이타보라이 다양한 컴퓨터 인터페이스를 사용하여 조작 "블로흐 구체". 노벨상 수상 물리학자의 이름을 따서 명명 펠릭스 블로흐, 이 구체는 XNUMX단계 양자 시스템의 벡터 구성 요소를 설명하는 기하학적 도형입니다(표면의 점은 순수 상태이고 내부의 점은 혼합 상태임). 런던 행사에서 Miranda와 Itaborai는 움직임 감지 링과 장갑을 착용하여 손짓으로 제어 신호를 노트북에 전송했고 Thomas는 손잡이 패널을 사용했습니다.

이 신호는 IBM 양자 컴퓨터에서 원격으로 실행되는 양자 회로에 공급되었으며, 여기에서 음악가는 Bloch 구체(연주자 뒤에 있는 스크린에 투사된 시각적 표현)의 방향을 회전했습니다. 특정 시간에 공연자는 큐비트를 "측정"하여 명확하지만 근본적으로 예측할 수 없는 출력 상태로 "붕괴"할 수 있습니다. (당신은 프로세스의 고전적인 시뮬레이션에 직접 갈 수 있습니다 bit.ly/41fXVnr).

그 결과로 나오는 소리는 항상 놀랍습니다. 측정을 하기 전까지는 어떻게 될지 알 수 없습니다.

에두아르도 미란다, 플리머스 대학교

그런 다음 이 상태의 값을 사용하여 각 연주자에게 할당된 XNUMX개의 사운드 신디사이저에서 생성된 사운드의 매개 변수를 결정했습니다. "결과가 나오는 사운드는 항상 놀랍습니다."라고 Miranda는 말합니다. "측정을 하기 전까지는 어떻게 될지 알 수 없습니다." 그런 다음 세 명의 연주자는 들은 내용에 따라 손을 움직이며 반응하여 각 음악가와 악기, 그리고 서로 간에 끊임없는 협력이 이루어졌습니다.

Miranda는 공연을 리허설 된 즉흥 연주라고 부릅니다. "우리는 몇 번 전에 그것을 연습했고 재즈 연주자들이 하는 것과 거의 비슷하게 우리가 할 몇 가지 일에 동의했습니다."라고 그는 말합니다. 이 경우 XNUMX개의 큐비트는 모두 독립적이었지만 Miranda는 큐비트를 서로 얽히게 하여 음악가 자신이 문자 그대로 새로운 방식으로 결합되도록 하는 방법을 찾고자 했습니다.

새로운 종류의 음악

음악을 만들기 위해 양자 컴퓨팅을 활용하는 것은 "새로운 악기를 연주하는 방법을 배우는 것과 같다"고 말합니다. 마리아 마노네, 작곡가이기도 한 이탈리아 팔레르모 대학에서 양자 정보를 연구하는 이론 물리학 자. "우리는 원하는 음악을 연주하는 방법을 배워야 하지만 동시에 새로운 악기의 특정 기능이 제약을 만들고 특정 아이디어를 제안할 수 있습니다."

미란다는 가능성을 활용하는 한 가지 방법은 AI가 생성한 음악이 현재 사용되고 있는 방식이 아니라 작곡가가 개발할 아이디어의 핵심을 제공하는 예상치 못한 음악적 조각을 양자 컴퓨터가 생각해 내도록 하는 것이라고 의심합니다. "나는 노력하고 있습니다."라고 그가 말합니다.

모든 것, 특히 과학 분야는 영감의 원천이 될 수 있습니다.

Maria Mannone, 이탈리아 팔레르모 대학교

현재 이 분야의 확장을 가로막는 장애물 중 하나는 양자역학 자체의 순전히 생소함과 기술적 복잡성입니다. 미란다의 새 책 양자 컴퓨터 음악 파동함수와 행렬 대수학으로 가득 찬 소심한 사람들을 위한 매뉴얼이 아닙니다. 이론을 이해하는 물리학자와 엔지니어는 음악적 전통에 대한 지식이 거의 없는 경향이 있는 반면 음악가는 위축될 것입니다.

그러나 그는 일반적으로 컴퓨팅과 마찬가지로 진입 장벽을 낮출 수 있는 사용자 친화적인 인터페이스가 개발되기를 희망합니다. 예를 들어 미란다의 큐비트 회전은 단순한 손 제스처로 제어된다. 테레 민 – 전자 악기 –가 연주됩니다.

또 다른 접근 방식은 짐 위버, IBM의 양자 과학자 요크타운 하이츠 연구 센터 개발한 뉴욕에서 양자 장난감 피아노. 양자 컴퓨터를 사용하여 멜로디와 하모니를 확률적으로 생성하는 음악 도구입니다. 메모를 할당.

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Weaver는 이미 이러한 아이디어를 양자 음악 놀이터, 사용자 친화적인 인터페이스를 통해 사용자는 양자 상태를 조작하여 다중 기기 구성을 만들 수 있습니다. "[사람들은] 원하는 방식으로 음악이 들릴 때까지 만지작거릴 수 있습니다."라고 Weaver는 말합니다. "그것은 Bloch 구체의 음악입니다." 그는 우주적 "천구의 ​​음악"(태양, 달 및 행성의 상대적인 움직임이 음악의 한 형태이다).

이 시스템은 실제로 실제 양자 장치가 아닌 기존 컴퓨터에서 수행되는 양자 상태의 고전적인 시뮬레이션에서 실행됩니다. 양자 상태에 대한 완전한 지식이 필요하기 때문입니다. 이는 측정이 상태를 붕괴시키기 때문에 실제 큐비트에 대해서는 수행할 수 없습니다. 이 도구를 뮤지컬뿐 아니라 교육적 도구로 보는 Weaver는 이 도구가 학생(및 음악가)이 양자 컴퓨팅 알고리즘에 대한 직관을 개발하는 데 도움이 되기를 바랍니다. 이 작업은 음악을 변화시킬 뿐만 아니라 양자 과학에도 도움이 될 수 있습니다.

기술적 장벽을 극복하기 위한 또 다른 옵션은 음악가가 양자 연구 커뮤니티에 자신을 포함시키는 것입니다. 이것이 미국 작곡가가 취한 접근 방식입니다. 스펜서 토펠, 2019년에는 레지던시 아티스트 at 예일 양자 연구소, 다음과 같은 양자 기술 전문가의 본거지 미셸 데보레 및 로버트 숄코프. Yale에서 근무하는 동안 Topel은 라이브 공연 음악은 대부분의 최신 양자 컴퓨터에서 큐비트로 사용되는 초전도 양자 장치의 역학을 측정하여 생성되었습니다.

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음악가도 약간의 양자 역학을 배우면 도움이 될 수 있습니다. Mannone은 "작곡가는 박식해야 합니다. 특히 과학 분야의 모든 것이 영감의 원천이 될 수 있기 때문입니다."라고 지적합니다. 사실 필요한 지식의 수준은 그렇게 어려울 필요가 없습니다. 그녀가 지적했듯이 현재 다른 응용 프로그램을 위한 양자 코드를 작성하는 사람들 중 일부는 "양자 게이트 및 원리에 대한 기본 지식만 있으면서 멋진 작업을 수행합니다."

Mannone은 자신의 작업에서 음악을 분석하기 위해 양자 물리학을 사용했습니다.크리에이티브 뮤직 시스템 저널 doi.org/10.5920/jcms.975).

그것에 대해 모두 들어

양자 음악을 직접 들을 수 있는 곳이 궁금하다면 Miranda는 곧 런던 신포니에타와의 협업을 통해 콘서트 홀에서 라이브 공연을 할 예정입니다. 그는 또한 이러한 종류의 작곡이 아마도 라이브 코딩 운동, DJ와 같은 코더가 즉흥적이고 상호 작용적인 방식으로 시청각 미디어를 제어하는 ​​프로그램을 작성하는 새로운 공연 예술, 아마도 춤, 시 및 음악과 결합될 수 있습니다(다음에서 예를 들어볼 수 있습니다. bit.ly/3Z8hUDg).

커뮤니티의 성장을 촉진하기 위해 2021년 XNUMX월 Miranda는 IBM Quantum 및 Quantinuum과 협력하여 첫 번째 양자 컴퓨팅 및 음악적 창의성에 관한 국제 심포지엄. Quantinuum의 당시 CEO는 "우리는 양자 음악의 가능성이 무엇인지 아직 알지 못합니다."라고 말했습니다. 일리아스 칸 Goethe-Institut 행사에서 – 그리고 양자 음악이 성숙함에 따라 오늘날의 선구자들이 하고 있는 것과 거의 유사하지 않을 수도 있습니다. "처음 XNUMX~XNUMX년은 실험적입니다."라고 그는 말합니다.

미란다는 지적으로 직감하기 어려운 얽힘 및 일관성과 같은 양자 개념을 소리로 표현할 수 있기를 희망합니다. "그것이 성배입니다."라고 그는 말합니다. "나는 이것을 달성하고 싶지만 방법을 모릅니다." 그러나 Coecke에게는 양자적 사고로의 전환을 촉매하는 것이 전부입니다. "양자 세계에 물건을 넣으면 갑자기 새로운 가능성의 우주가 나타납니다."

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