Ali lahko uporabimo kvantne računalnike za ustvarjanje glasbe?

O Goethe-Institut, nasproti Imperial Collegea v Londonu, ni kraj, kjer bi pričakovali srečanje z vrhunsko avantgardno umetnostjo. S svojo neoklasično fasado in zgodovino zagotavljanja tečaji nemškega jezika, se komaj zdi primerno mesto za organizacijo dogodka, ki vključuje glasbenike, kot je Peter Gabriel in Brian Eno, skupaj s številnimi kvantnimi fiziki. Toda zvoki, ki so se širili iz predavalnice decembra lani, so bili precej nepričakovani: brnenje, piski in izbruhi divjih ritmov, ki so bolj podobni zvočnemu zapisu eksperimentalnega underground filma.

To je bil pravzaprav zvok kvantnega računalništva.

Dogodka se je udeležilo okoli 150 ljudi, ki so poslušali improvizirana glasbena predstava orkestriral brazilski skladatelj in računalničar Eduardo Reck Miranda, ki je trenutno na Univerzi v Plymouthu v Veliki Britaniji. V enem delu so Miranda in dva sodelavca uporabljali vsak svoj prenosni računalnik, ki je bil povezan s kvantnim računalnikom prek interneta, da bi nadzorovali – s kretnjami rok – stanje kvantnega bita (qubit). Ko je bilo izmerjeno stanje qubita, je rezultat narekoval značilnosti zvokov, ki so jih ustvarili sintetizatorji v Londonu.

Če se to sliši bizarno – no, ja, res je bilo.

Želim razviti stroje, ki mi bodo pomagali biti ustvarjalen in bodo predstavljali izziv mojemu običajnemu načinu dela

Eduardo Miranda, Univerza v Plymouthu

V kvantnem računalništvu so informacije kodirane v superpozicijskih stanjih zapletenih kubitov, kar omogoča, da se nekateri izračuni izvajajo veliko bolj učinkovito, kot je to mogoče s klasičnimi stroji. Čeprav so te naprave še vedno prototipi, omejeni na laboratorije tehnoloških velikanov, kot je npr IBM in googleskladatelji, kot je Miranda, želijo odkriti, kaj jim lahko ponudi nova tehnologija. "Želim razviti stroje, ki mi bodo pomagali biti ustvarjalen in bodo predstavljali izziv mojemu običajnemu načinu dela," pravi.

[Vgrajeni vsebina]

Miranda verjame, da kvantno računalništvo "spodbuja drugačen način razmišljanja, [kar bo posledično] pripeljalo do drugačnih načinov razmišljanja o glasbi." To je pogled, ki ga delita Bob Coecke – še en Mirandin sodelavec – ki je fizik v podjetju za kvantno računalništvo s sedežem v Oxfordu Quantinuum. "Če spremenite pogled na stvari in jezik, ki ga uporabljate, pridete na dan s popolnoma novimi idejami," pravi Coecke.

Fasciniran sem nad tem, kako [ta glasba] deluje.

Brian Eno, glasbenik

Kvantna glasba je trenutno nedvomno nišno področje – vendar takšno, ki pritegne nekaj velikega zanimanja. Dejansko je bil dogodek Goethe-Instituta sklican ob predstavitvi nove knjige, ki jo je uredila Miranda, Kvantna računalniška glasba, ki trdi, da je prva knjiga na to temo (Springer, 2022). Coecke medtem letos načrtuje združitev kvantne umetnosti in znanosti v Oxfordu z Mirando in italijanskim teoretikom Carlo Robelli.

»Navdušen sem nad tem, kako [ta glasba] deluje,« je dejal Eno po nastopu Goethe-Instituta v intervjuju za Goethe-Institut. "Težko presojam, ker ne veste, koliko teh odločitev so sprejeli ljudje in koliko izhaja iz te drugačne vrste inteligence."

Naravno partnerstvo

Zamisel o uporabi računalniško podobnih algoritmov v glasbi sega v 1840. leta XNUMX. stoletja, ko sta znanstvenik in matematik Ada Lovelace prvi ugibal o uporabi Charlesa Babbagea Analitični stroj – neke vrste steampunk računska naprava, izdelana iz zapletenih nizov medeninastih zobnikov – za »komponiranje dovršenih in znanstvenih glasbenih del katere koli stopnje kompleksnosti ali obsega«. Na nek način je bilo to naravno partnerstvo, saj ima velik del glasbe same algoritmično in matematično osnovo, kar se odraža v simetrijah, ki so vidne v delih baročnih skladateljev, kot je Johann Sebastian Bach.

Uporaba naključja in verjetnosti v »avtomatiziranem« sestavljanju je postala popularna že prej, v Musikalisches Würfelspiel (glasbene igre s kockami) iz 18. stoletja, pri katerih so se z meti kock sestavljali majhni glasbeni deli. Ena kompozicija domnevno napisal Mozart leta 1787 je lahko primer žanra. Zaigral bi ga tako, da bi Mozart večkrat vrgel par kock, pri čemer bi vsakokrat vrženo število ustrezalo določenemu vnaprej napisanemu delu glasbe. Nastala je naključno sestavljena skladba, ki se je v vsaki izvedbi razlikovala in ji lahko prisluhnete bit.ly/3HivOLk.

Prav ta element naključnosti je pritegnil modernistične skladatelje k ​​računalnikom v zgodnjih dneh digitalnih strojev. V 1950. in 1960. letih prejšnjega stoletja so John Cage je bil v središču skupine newyorških glasbenikov, ki obožujejo tehnologijo in je vključevala Yoko Ono in pokojni japonski skladatelj Toshi Ichiyanagi, katerega dvoumna glasba iz leta 1960 IBM za Merce Cunningham je bil navdihnjen z luknjanimi karticami zgodnjih računalnikov. Na ogled na Muzej sodobne umetnosti v New Yorku, je njegova partitura prav tako umetniško delo kot pravo glasbeno delo – kako (če sploh) naj jo interpretirajo, je odvisno od vsakega potencialnega izvajalca.

Cage je bil tudi eden od več umetnikov, ki so sodelovali pri Eksperimenti v umetnosti in tehnologiji kolektiv, v katerem so bili inženirji iz Bell Laboratories v New Jerseyju, kjer bi se Cage družil, da bi dobil ideje. Z uporabo naključja, je pojasnil, je upal, da se bo izognil pasti ponavljanja v svojih skladbah.

Za zdaj delamo [kvantno glasbo] na zelo naiven način, ker so stroji omejeni.

Bob Coecke, Quantinuum

V 1960. in 1970. letih XNUMX. stoletja grško-francoski skladatelj Iannis Xenakis – učenec francoskega skladatelja Olivier Messiaen – v svoje skladateljske metode vključil računalnike, algoritme in različne stohastične procese. Medtem je pariški inštitut IRCAM, ki ga je ustanovil skladatelj Pierre Boulez, je v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja postal središče avantgardne glasbe, pri čemer je v veliki meri uporabljal računalnike, generatorje signalov, magnetni trak in druge elektronske vire.

Digitalno-informacijska tehnologija je zdaj osrednja za produkcijo in reprodukcijo mainstream glasbe. Nekateri algoritmi in strojna oprema za obdelavo signalov, ki so danes vseprisotni v glasbi in videu, so bili razviti v Bell Labs – in težko bi si predstavljali sodobno glasbeno industrijo brez tovrstne digitalne tehnologije. Potemtakem je bilo zagotovo neizogibno, da so se kvantni računalniki v zadnjih dveh desetletjih spreminjali iz teoretičnega predloga v prave stroje, da bodo glasbeniki radovedni, kaj bi lahko te naprave naredile zanje.

Kvantna revolucija

Javno dostopni viri kvantnega računalništva pa so razmeroma omejeni, zato je Miranda omejena na uporabo sedem-kubitnega, kriogeno hlajenega IBM Quantum naprava s sedežem v New Yorku, dostopna prek oblaka. Miranda priznava, da zaenkrat v kvantnih algoritmih, ki jih uporablja za ustvarjanje svojih kompozicij, ni ničesar, česar ne bi bilo mogoče simulirati tudi s klasičnim računalnikom. »Za zdaj delamo [kvantno glasbo] na zelo naiven način, ker so stroji omejeni,« dodaja Coecke.

Kljub temu, kot pojasnjuje Miranda, bi bili nekateri algoritmi, ki jih razvija, že računsko dragi in počasni na klasičnih napravah ter bi jih bilo težko implementirati v živo v realnem času na koncertu. Toda hitrost računanja v resnici ni glavno vprašanje, ko gre za uporabo kvantne fizike za skladanje glasbe. Velika privlačnost kvantnih algoritmov je bolj kot vir naključnosti pri glasbenih izbirah.

Tako kot pri nekaterih prejšnjih računalniških glasbah je mogoče določene parametre glasbene partiture, kot je višina ali trajanje note, dodeliti naključnim izbiram, ki jih naredi stroj. Toda medtem ko klasični računalniki ponujajo le nekakšno algoritemsko ustvarjeno psevdo-naključnost, kvantne naprave dostopajo do pristne naključnosti, vključene v rezultat kvantne meritve. Vesolje, bi lahko rekli, odloča. Še več, to je mogoče storiti v realnem času.

Kako rastemo in se razvijamo, če ne raziskujemo drugih poti?

Craig Stratton, violinist

Miranda si predstavlja skladatelja, ki glasbenemu delu dodeli določen algoritem, ki se nato predvaja prek kvantnega računalnika med predstavo. Z drugimi besedami, kvantni računalnik je lahko oddaljen, kot je bil na dogodku v Londonu, ampak svoje rezultate meritev preprosto pošlje nazaj, recimo, klasičnemu generatorju tonov. "Določite pogoje, vendar niste popolnoma prepričani, kaj bo ustvarilo, dokler komad ne bo izveden," pravi Miranada. "Nastop bo edinstven za tisti trenutek."

Dogodek Goethe-Instituta je pokazal še druge načine delovanja kvantne glasbe. V enem delu britanski violinist Craig Stratton improviziral kratko melodijo. Višina in trajanje vsake note sta bila predstavljena kot kvantna stanja, ki so bila nato poslana v računalnik IBM v New Yorku. Tam je naprava obdelala stanja, da bi oblikovala odziv, ki je bil "ponovno uglasbenjen" in predvajan v Londonu s tonskim sintetizatorjem (v tem primeru z uporabo zvoka saksofona) nekaj trenutkov kasneje.

Algoritmi umetne inteligence za poglobljeno učenje za takšno glasbeno improvizacijo »klic-in-odziv« so že bili oblikovani. Toda po besedah ​​Mirande ti algoritmi ponavadi proizvajajo zgolj delce glasbe, na kateri se urijo. Nasprotno pa se bodo kvantni računalniki verjetno obnašali »bolj kot partner kot posnemalec«. Dejansko so računalniško ustvarjeni melodični odzivi na Strattonove improvizacije zveneli le malo kot dražljaji, ki so jih izzvali, saj so ohranili le nekaj mamljivih odmevov začetnih zvokov.

Stratton, ki se mu je proces zdel zanimiv, verjame, da imajo kvantni računalniki zagotovo svoje mesto v razvoju glasbe. "Kako rastemo in se razvijamo, če ne raziskujemo drugih poti?" je vprašal.

Blochove glave

V drugem delu Miranda in njegovi kolegi iz Plymoutha Pete Thomas in Paulo Itaborai uporabljal različne računalniške vmesnike za manipulacijo "Blochove krogle". Poimenovana po fiziku, ki je prejel Nobelovo nagrado Felix Bloch, so te krogle geometrijske figure, ki opisujejo vektorske komponente dvonivojskega kvantnega sistema (točke na površini so čista stanja, tiste na notranji strani pa mešana stanja). Na londonskem dogodku sta Miranda in Itaborai nosila prstan in rokavico za zaznavanje gibanja za prenos kontrolnih signalov z gibi rok na prenosni računalnik, medtem ko je Thomas uporabljal ploščo gumbov.

Ti signali so bili dovedeni v kvantno vezje, ki je delovalo na daljavo na kvantnem računalniku IBM, kjer so glasbeniki vrteli orientacijo Blochove krogle (katere vizualna predstavitev je bila projicirana na zaslon za nastopajočimi). V določenih trenutkih so se izvajalci lahko odločili, da bodo "izmerili" svoj qubit in ga s tem "zrušili" v določeno, a v osnovi nepredvidljivo izhodno stanje. (Sami se lahko preizkusite v klasični simulaciji procesa na bit.ly/41fXVnr).

Rezultat bo vedno presenetljiv. Kaj bo, ne vemo, dokler ne opravimo meritev

Eduardo Miranda, Univerza v Plymouthu

Vrednost tega stanja je bila nato uporabljena za določitev parametrov zvoka, ki so ga ustvarili trije sintetizatorji zvoka, dodeljeni vsakemu izvajalcu. »Zvok, ki bo rezultat, bo vedno presenetljiv,« pravi Miranda. "Ne vemo, kaj bo, dokler ne opravimo meritev." Trije izvajalci so se nato na to, kar so slišali, odzvali s svojimi kasnejšimi gibi rok, tako da je bil rezultat nenehno sodelovanje tako med vsakim glasbenikom in njihovim instrumentom kot tudi drug z drugim.

Miranda predstavo imenuje vajena improvizacija. "Pred tem smo nekajkrat vadili in se dogovorili o nekaj stvareh, ki jih bomo naredili, skoraj tako, kot to počnejo jazzisti," pravi. Ob tej priložnosti so bili vsi trije kubiti neodvisni, toda Miranda želi najti načine za prepletanje kubitov, tako da je vsak odvisen od drugih – s čimer se glasbeniki sami dobesedno povežejo na nove načine.

Nova zvrst glasbe

Izkoriščanje kvantnega računalništva za ustvarjanje glasbe je "kot učenje igranja novega glasbila", pravi Maria Mannone, teoretični fizik, ki se ukvarja s kvantnimi informacijami na Univerzi v Palermu v Italiji, ki je tudi skladatelj. "Moramo se naučiti igrati glasbo, ki jo želimo, hkrati pa lahko posebne lastnosti novega instrumenta ustvarijo omejitve in predlagajo posebne ideje."

Miranda sumi, da je eden od načinov za izkoriščanje možnosti pridobiti kvantni računalnik, da pripravi nepričakovane glasbene fragmente, ki zagotavljajo jedra idej, ki jih skladatelj lahko razvije, namesto na način, na katerega se trenutno uporablja glasba, ustvarjena z umetno inteligenco. »Poskušam,« pravi, »pripraviti stroj, da mi da material, ki se ga sam ne bi domislil – ideje, s katerimi lahko delam.«

Vse, še posebej v znanosti, je lahko vir navdiha

Maria Mannone, Univerza v Palermu, Italija

Ena od trenutnih ovir za širjenje področja je čisto neznanje in tehnična zapletenost same kvantne mehanike. Mirandina nova knjiga Kvantna računalniška glasba ni priročnik za slabovidne, saj je poln valovnih funkcij in matrične algebre. Glasbeniki bodo prestrašeni, medtem ko fiziki in inženirji, ki razumejo teorijo, običajno slabo poznajo glasbene tradicije.

Vendar upa, da bodo razviti uporabniku prijazni vmesniki, ki bodo znižali vstopne ovire, tako kot so na splošno za računalništvo. Rotacije Mirandinega kubita se na primer nadzorujejo s preprostimi kretnjami rok, podobno kot način, na katerega tam – elektronsko glasbilo – se igra.

Drug pristop je pionir pri Jim Weaver, kvantni znanstvenik pri IBM-u Raziskovalni center Yorktown Heights v New Yorku, ki je razvil Quantum Toy Pianino. To je glasbeno orodje, ki uporablja kvantni računalnik za verjetnostno ustvarjanje melodij in harmonij, pri čemer uporablja inherentno naključnost merjenja stanj kubita za dodelite note.

[Vgrajeni vsebina]

Weaver je takšne ideje že razvil v Quantum Music Playground, v katerem uporabniku prijazen vmesnik omogoča uporabniku manipuliranje s kvantnimi stanji za ustvarjanje kompozicij z več instrumenti. »[Ljudje] se lahko igrajo, dokler glasba ne zveni tako, kot bi želeli,« pravi Weaver. »To je glasba Blochovih sfer,« se pošali in namiguje na staro predstavo o kozmični »glasbi nebesnih sfer« (ideja, da so relativna gibanja Sonca, Lune in planetov so oblika glasbe).

Ta sistem dejansko deluje na klasični simulaciji kvantnih stanj, ki jo izvaja običajen računalnik, namesto na pravi kvantni napravi. To je zato, ker zahteva popolno poznavanje kvantnega stanja – česar ni mogoče storiti za pravi kubit, ker meritev zruši stanje. Weaver, ki vidi orodje kot izobraževalno in glasbeno, upa, da lahko pomaga študentom (in glasbenikom) razviti intuicijo za algoritme kvantnega računalništva. Delo morda ne bo samo spremenilo glasbe, ampak bo koristilo tudi kvantni znanosti.

Druga možnost za premagovanje tehničnih ovir bo, da se glasbeniki vključijo v kvantno raziskovalno skupnost. To je pristop ameriškega skladatelja Spencer Topel, ki je 2019 bil rezidenčni umetnik at Yale Quantum Institute, dom strokovnjakov za kvantno tehnologijo, kot je npr Michel Devoret in Robert Schoelkopf. Med bivanjem na Yalu je Topel ustvarjal nastop v živo v katerem je bila glasba proizvedena iz meritev dinamike superprevodnih kvantnih naprav, ki se uporabljajo kot kubiti v večini sodobnih kvantnih računalnikov.

[Vgrajeni vsebina]

Glasbenikom bi lahko koristilo tudi učenje kvantne mehanike. "Skladatelji morajo biti razgledani," poudarja Mannone, "ker je vse, zlasti v znanosti, lahko vir navdiha." Raven zahtevanega znanja dejansko ni nujno tako zastrašujoča. Kot poudarja, nekateri od tistih, ki zdaj pišejo kvantno kodo za druge aplikacije, "opravljajo čudovito delo, medtem ko imajo le osnovno znanje o kvantnih vratih in principih".

V svojem delu je Mannone uporabila kvantno fiziko za analizo glasbe – na primer z uporabo tehnike, razvite za kvantifikacijo spomina odprtih kvantnih sistemov, da bi izmerila količine ponavljanja in podobnosti, ki se pojavljajo v glasbenih kompozicijah (Journal of Creative Music Systems doi.org/10.5920/jcms.975).

Poslušaj vse o tem

Če se sprašujete, kje bi lahko sami slišali kvantno glasbo, si Miranda prizadeva za nastop v živo v koncertni dvorani prek prihajajočega sodelovanja z London Sinfonietto. Predvideva tudi, da se bo tovrstno skladanje infiltriralo v manj formalna okolja, kot so klubi, morda prek gibanje »kodiranje v živo«., nova uprizoritvena umetnost, v kateri kodirniki, podobni DJ-jem, pišejo programe za nadzor avdiovizualnih medijev na improviziran in interaktiven način, morda v kombinaciji s plesom, poezijo in glasbo (primer lahko poslušate na bit.ly/3Z8hUDg).

Da bi spodbudila rast skupnosti, je Miranda novembra 2021 sodelovala z IBM Quantum in Quantinuum, da bi gostila prvo Mednarodni simpozij o kvantnem računalništvu in glasbeni ustvarjalnosti. "Ne vemo še, kakšne so možnosti za kvantno glasbo," je dejal takratni izvršni direktor Quantinuuma. Ilyas Khan na dogodku Goethe-Instituta – in morda bo, ko bo kvantna glasba dozorela, le malo podobna temu, kar počnejo današnji pionirji. "Prvi dve do tri leta so eksperimentalna," pravi.

Miranda upa, da bo morda postalo mogoče izraziti – v zvoku – kvantne koncepte, kot sta prepletenost in koherenca, ki jih je težko intelektualno zaznati. "To je sveti gral," pravi. "To želim doseči, vendar ne vem, kako." Toda za Coeckeja gre le za kataliziranje prehoda na kvantno razmišljanje. "Če sestavite stvari v kvantnem svetu, se nenadoma pojavi novo vesolje možnosti."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/