Kan vi använda kvantdatorer för att göra musik?

Smakämnen Goethe-Institut, mittemot Imperial College i London, är inte den typ av plats du kan förvänta dig att möta banbrytande avantgardekonst. Med sin neoklassiska fasad och en historia av att tillhandahålla Tyska språkkurser, det verkar knappast den typ av plats att vara värd för ett evenemang som inkluderar musiker som Peter Gabriel och Brian Eno, tillsammans med ett antal kvantfysiker. Men ljuden från dess föreläsningssalar i december var ganska oväntade: drönare, pip och utbrott av vilda beats som mer liknar soundtracket från en experimentell undergroundfilm.

Detta var faktiskt ljudet av kvantberäkningar.

Evenemanget besöktes av cirka 150 personer, som lyssnade på en improviserad musikföreställning orkestrerad av den brasilianske kompositören och datavetaren Eduardo Reck Miranda, som för närvarande är baserad vid University of Plymouth i Storbritannien. I ett stycke använde Miranda och två kollegor var sin bärbara dator, som var ansluten till en kvantdator över Internet, för att kontrollera – via handgester – tillståndet för en kvantbit (qubit). När tillståndet för qubit mättes, dikterade resultatet egenskaperna hos ljuden som skapades av synthesizers tillbaka i London.

Om det låter bisarrt – ja, det gjorde det verkligen.

Jag vill utveckla maskiner som hjälper mig att vara kreativ och utmanar mitt vanliga sätt att göra saker på

Eduardo Miranda, University of Plymouth

Vid kvantberäkning kodas information i superpositionstillstånd av intrasslade qubits, vilket gör att vissa beräkningar kan utföras mycket mer effektivt än vad som är möjligt med klassiska maskiner. Även om dessa enheter fortfarande är prototyper begränsade till laboratorier av tekniska jättar som t.ex IBM och Google, är kompositörer som Miranda angelägna om att upptäcka vad den nya tekniken kan erbjuda dem. "Jag vill utveckla maskiner som hjälper mig att vara kreativ och som kommer att utmana mitt vanliga sätt att göra saker", säger han.

[Inbäddat innehåll]

Quantum computing, tror Miranda, "främjar ett annat sätt att tänka, [vilket i sin tur] kommer att leda till olika sätt att tänka om musik." Det är en syn som delas av Bob Coecke – en annan av Mirandas medarbetare – som är fysiker på det Oxford-baserade kvantdatorföretaget Kvantinuum. "Om du ändrar sättet du ser på saker och språket du använder, kommer du med helt nya idéer", säger Coecke.

Jag är fascinerad över att veta hur [den här musiken] fungerar.

Brian Eno, musiker

Kvantmusik är för närvarande ett avgjort nischområde – men ett som lockar ett visst högprofilerat intresse. Goethe-institutets evenemang sammankallades för att markera lanseringen av en ny bok redigerad av Miranda, Kvantdatormusik, som påstår sig vara den första boken någonsin i ämnet (Springer, 2022). Coecke, under tiden, planerar en kvantkonst/vetenskap mash-up i Oxford i år med Miranda och den italienska teoretikern Carlo Robelli.

"Jag är fascinerad över att veta hur [den här musiken] fungerar", sa Eno efter Goethe-institutets framträdande i en intervju med Goethe-institutet. "Det är svårt för mig att göra en bedömning, eftersom du inte vet hur mycket av dessa beslut som fattades av människor, och hur mycket som kommer ut av den där olika typen av intelligens."

Ett naturligt partnerskap

Idén att använda datorliknande algoritmer i musik går tillbaka till 1840-talet, då vetenskapsman och matematiker Ada Lovelace spekulerade först om att använda Charles Babbages Analytisk maskin – en sorts steampunk-beräkningsanordning gjord av invecklade samlingar av mässingskuggar – för att "komponera utarbetade och vetenskapliga musikstycken av någon grad av komplexitet eller omfattning". På något sätt var det ett naturligt partnerskap, för mycket av musiken i sig har en algoritmisk och matematisk grund, vilket återspeglas av de symmetrier som uppenbarar sig i verk av barockkompositörer som Johann Sebastian Bach.

Användningen av slump och sannolikhet i "automatiserad" komposition blev populär ännu tidigare, i Musikalisches Würfelspiel (musikaliska tärningsspel) från 18-talet, där små musikstycken sattes ihop med hjälp av tärningskast. En komposition påstås skriven av Mozart 1787 kan vara ett exempel på genren. Det skulle ha spelats av Mozart som rullade ett par tärningar många gånger, med numret som kastades vid varje tillfälle motsvarade ett visst förskrivet avsnitt av musik. Resultatet blev en slumpmässigt sammanfogad komposition som skilde sig åt i varje föreställning, som du kan lyssna på på bit.ly/3HivOLk.

Det var detta element av slumpmässighet som lockade modernistiska kompositörer till datorer i de digitala maskinernas tidiga dagar. På 1950- och 1960-talen John Cage var i centrum för en grupp teknikälskande New York-baserade musiker som inkluderade Yoko Ono och den bortgångne japanska kompositören Toshi Ichiyanagi, vars tvetydiga partitur från 1960 IBM för Merce Cunningham inspirerades av hålkorten från tidiga datorer. Utställd på Museum of Modern Art i New York, hans partitur är lika mycket ett konstverk som ett verkligt musikstycke – hur (om allt) det ska tolkas är upp till varje potentiell artist.

Cage var också en av flera artister som var involverade i Experiment inom konst och teknik kollektiv, som omfattade ingenjörer från Bell Laboratories i New Jersey, där Cage skulle hänga för att få idéer. Genom att använda slumpen, förklarade han, hoppades han undvika fällan att upprepa sig i sina kompositioner.

För nu gör vi [kvantmusik] på ett väldigt naivt sätt eftersom maskinerna är begränsade.

Bob Coecke, Quantinuum

På 1960- och 1970-talen den grekisk-franska kompositören Iannis Xenakis – en elev till den franske kompositören Olivier Messiaen – införlivade datorer, algoritmer och olika stokastiska processer i sina komponeringsmetoder. Samtidigt, det Paris-baserade IRCAM-institutet, grundat av kompositören Pierre Boulez, blev ett nav för avantgardemusik på 1970-talet, med omfattande användning av datorer, signalgeneratorer, magnetband och andra elektroniska resurser.

Digital informationsteknologi är nu central för produktion och reproduktion av mainstreammusik. Några av signalbehandlingsalgoritmerna och hårdvaran som finns överallt i musik och video idag utvecklades på Bell Labs – och det skulle vara svårt att föreställa sig den moderna musikindustrin utan den typen av digital teknik. Det var alltså säkert oundvikligt att när kvantdatorer under de senaste två decennierna förändrades från ett teoretiskt förslag till riktiga maskiner, skulle musiker vara nyfikna på vad dessa enheter kan göra för dem.

En kvantrevolution

Allmänt tillgängliga kvantberäkningsresurser är dock relativt begränsade, så Miranda är begränsad till att använda en sju-qubit, kryogeniskt kyld IBM Quantum enhet inrymd i New York, nås via molnet. Miranda erkänner att det än så länge inte finns något i de kvantalgoritmer han använder för att skapa sina kompositioner som inte också kunde simuleras med en klassisk dator. "För tillfället gör vi [kvantmusik] på ett väldigt naivt sätt eftersom maskinerna är begränsade", tillägger Coecke.

Ändå, som Miranda förklarar, skulle vissa av de algoritmer han utvecklar redan vara beräkningsmässigt dyra och långsamma på klassiska enheter, och svåra att implementera live i realtid på en konsert. Men beräkningshastigheten är egentligen inte huvudfrågan när det gäller att använda kvantfysik för att komponera musik. Den stora överklagandet av kvantalgoritmer är snarare som en källa till slumpmässighet i musikaliska val.

Som med en del tidigare datorbaserad musik, kan särskilda parametrar för musikmusiken, såsom tonhöjden eller varaktigheten av en ton, tilldelas slumpmässiga val som görs av maskinen. Men medan klassiska datorer bara erbjuder ett slags algoritmiskt genererad pseudo-slumpmässighet, får kvantenheter tillgång till den äkta slumpmässighet som är involverad i resultatet av en kvantmätning. Universum, kan man säga, gör valen. Dessutom kan detta göras i realtid.

Hur växer och utvecklas vi om vi inte utforskar andra vägar?

Craig Stratton, violinist

Miranda föreställer sig en kompositör som tilldelar en viss algoritm till ett musikstycke, som sedan spelas upp via en kvantdator under en föreställning. Kvantdatorn kan med andra ord vara avlägsen, som den var vid London-evenemanget, utan skickar helt enkelt sina mätresultat tillbaka till, säg, en klassisk tongenerator. "Du sätter upp förutsättningarna, men du är inte helt säker på vad det kommer att producera förrän stycket är framfört," säger Miranada. "Föreställningen kommer att vara unik för just det ögonblicket."

Evenemanget Goethe-Institutet visade andra sätt på vilka kvantmusik kan fungera. I ett stycke, den brittiske violinisten Craig Stratton improviserade en kort låt. Tonhöjden och varaktigheten för varje ton representerades som kvanttillstånd som sedan skickades till IBM-datorn i New York. Där bearbetade enheten staterna för att formulera ett svar som "ommusikaliserades" och spelades upp i London av en tonsynt (i så fall med hjälp av ett saxofonljud) ögonblick senare.

Djuplärande AI-algoritmer för sådan musikalisk "call-and-response"-improvisation har redan utarbetats. Men enligt Miranda tenderar dessa algoritmer att producera bara pastischer av musiken de tränas på. Kvantdatorer, däremot, kommer förmodligen att bete sig "mer som en partner än en imitator". Faktum är att de datorgenererade melodiska svaren på Strattons improvisationer lät lite som de stimuli som provocerade dem, och behöll bara några lockande ekon av de initiala ljuden.

Stratton, som tyckte att processen var spännande, menar att kvantdatorer verkligen har en plats i musikens utveckling. "Hur växer vi och utvecklas om vi inte utforskar andra vägar?" han frågar.

Bloch huvuden

I ett annat stycke, Miranda och hans Plymouth-kollegor Pete Thomas och Paulo Itaborai använde olika datorgränssnitt för att manipulera "Bloch sfärer". Uppkallad efter den nobelprisbelönade fysikern Felix Bloch, dessa sfärer är geometriska figurer som beskriver vektorkomponenterna i ett tvånivås kvantsystem (punkterna på ytan är rena tillstånd och de på insidan är blandade tillstånd). Vid London-evenemanget bar Miranda och Itaborai en rörelseavkännande ring och handske för att överföra kontrollsignaler med handgester till en bärbar dator, medan Thomas använde en panel med knoppar.

Dessa signaler matades till en kvantkrets som kördes på distans på IBMs kvantdator, där musikerna roterade orienteringen av en Bloch-sfär (en visuell representation av vilken projicerades på en skärm bakom artisterna). Vid vissa tillfällen kunde artisterna välja att "mäta" sin qubit och därigenom "kollapsa" den till ett bestämt men i grunden oförutsägbart utdatatillstånd. (Du kan själv prova en klassisk simulering av processen på bit.ly/41fXVnr).

Ljudet som blir resultatet kommer alltid att vara överraskande. Vi vet inte vad det blir förrän vi gör mätningen

Eduardo Miranda, University of Plymouth

Värdet på detta tillstånd användes sedan för att bestämma parametrarna för ljudet som genererades av tre ljudsynthesizers tilldelade varje artist. "Ljudet som blir resultatet kommer alltid att vara överraskande", säger Miranda. "Vi vet inte vad det kommer att bli förrän vi gör mätningen." De tre artisterna svarade sedan på vad de hörde med sina efterföljande handrörelser, vilket gjorde resultatet till ett ständigt samarbete både mellan varje musiker och deras instrument och även med varandra.

Miranda kallar föreställningen för en inövad improvisation. "Vi tränade på det några gånger och kom överens om några saker vi skulle göra, ungefär som vad jazzspelare gör", säger han. Vid det här tillfället var alla tre qubitarna oberoende, men Miranda är angelägen om att hitta sätt att trassla in qubitarna så att var och en är beroende av de andra – vilket gör att musikerna själva bokstavligen kopplas ihop på nya sätt.

En ny sorts musik

Att använda kvantdatorer för att skapa musik är "som att lära sig spela ett nytt musikinstrument", säger man Maria Mannone, en teoretisk fysiker som arbetar med kvantinformation vid universitetet i Palermo i Italien, som också är kompositör. "Vi måste lära oss att spela den musik vi vill ha, men samtidigt kan de specifika egenskaperna hos det nya instrumentet skapa begränsningar och föreslå speciella idéer."

Miranda misstänker att ett sätt att utnyttja möjligheterna är att få en kvantdator att komma med oväntade musikaliska fragment som ger kärnan av idéer för kompositören att utveckla, snarare på det sätt som AI-genererad musik för närvarande används. "Jag försöker", säger han, "att få maskinen att ge mig material som jag inte skulle komma på själv – idéer som jag kan arbeta med."

Allt, särskilt inom vetenskapen, kan vara en inspirationskälla

Maria Mannone, Universitetet i Palermo, Italien

Ett av de nuvarande hindren för utvidgningen av fältet är själva kvantmekanikens ovana och tekniska komplexitet. Mirandas nya bok Kvantdatormusik är inte en manual för svaghjärtade, fylld med vågfunktioner och matrisalgebra. Musiker kommer att bli avskräckta, medan fysiker och ingenjörer som förstår teorin tenderar att ha liten kunskap om musiktraditioner.

Men han hoppas att användarvänliga gränssnitt ska utvecklas som sänker inträdesbarriären, precis som de har för datoranvändning i allmänhet. Mirandas qubit-rotationer, till exempel, styrs av enkla handgester, ungefär som det sätt på vilket theremin – ett elektroniskt musikinstrument – ​​spelas.

Ett annat tillvägagångssätt är pionjärer av Jim Weaver, en kvantforskare vid IBM Yorktown Heights Research Center i New York, som har utvecklat Quantum Toy Piano. Det är ett musikaliskt verktyg som använder en kvantdator för att generera melodier och harmonier sannolikt, genom att använda den inneboende slumpmässigheten i att mäta qubit-tillstånd för att tilldela anteckningarna.

[Inbäddat innehåll]

Weaver har redan utvecklat sådana idéer till Quantum Music Playground, där ett användarvänligt gränssnitt tillåter användaren att manipulera kvanttillstånd för att skapa kompositioner med flera instrument. "[Människor] kan fiffla runt tills musiken låter som de vill att den ska," säger Weaver. "Det är musik från Bloch-sfärerna", skämtar han och anspelar på den gamla föreställningen om en kosmisk "musik från de himmelska sfärerna" (tanken att de relativa rörelserna för solen, månen och planeterna är en form av musik).

Detta system körs faktiskt på en klassisk simulering av kvanttillstånd utförd av en konventionell dator, snarare än en riktig kvantenhet. Detta beror på att det kräver fullständig kunskap om kvanttillståndet – vilket inte kan göras för en riktig kvantbit eftersom en mätning kollapsar tillståndet. Weaver, som ser verktyget som både pedagogiskt och musikaliskt, hoppas att det kan hjälpa elever (och musiker) att utveckla en intuition för kvantberäkningsalgoritmer. Arbetet kan inte bara förändra musiken utan också gynna kvantvetenskapen.

Ett annat alternativ för att övervinna de tekniska barriärerna är att musiker bäddar in sig i kvantforskningssamhället. Det är den amerikanska kompositörens synsätt Spencer Topel, som 2019 var artist-in-residence at Yale Quantum Institute, hem för kvantteknikexperter som t.ex Michel Devoret och Robert Schoelkopf. Under sin tid på Yale skapade Topel ett liveframträdande där musiken producerades från mätningar av dynamiken hos de supraledande kvantenheterna som används som qubits i de flesta nuvarande kvantdatorer.

[Inbäddat innehåll]

Musiker kan också ha nytta av att lära sig lite kvantmekanik. "Kompositörer måste vara kunniga", påpekar Mannone, "eftersom allt, särskilt inom vetenskapen, kan vara en inspirationskälla." Den kunskapsnivå som krävs behöver faktiskt inte vara så skrämmande. Som hon påpekar gör några av de som nu skriver kvantkod för andra applikationer "utmärkt arbete samtidigt som de bara har en grundläggande kunskap om kvantportar och principer".

I sitt eget arbete har Mannone använt kvantfysik för att analysera musik – till exempel genom att använda en teknik utvecklad för att kvantifiera minnet av öppna kvantsystem för att mäta mängden upprepning och likhet som förekommer i musikaliska kompositioner (Journal of Creative Music Systems doi.org/10.5920/jcms.975).

Hör allt om det

Om du undrar var du kanske kan höra kvantmusik själv, har Miranda siktet inställt på ett liveframträdande i en konserthall genom ett kommande samarbete med London Sinfonietta. Han förutser också att den här typen av komponerande infiltrerar mindre formella miljöer som klubbar, kanske via "live coding"-rörelse, en ny performancekonst där DJ-liknande kodare skriver program för att styra audiovisuella medier på ett improviserat och interaktivt sätt, kanske kombinerat med dans, poesi och musik (du kan lyssna på ett exempel på bit.ly/3Z8hUDg).

För att stimulera tillväxten av gemenskapen, i november 2021 samarbetade Miranda med IBM Quantum och Quantinuum för att vara värd för den första Internationellt symposium om kvantdatorer och musikalisk kreativitet. "Vi vet ännu inte vad möjligheterna för kvantmusik är", sa Quantinuums dåvarande vd. Ilyas Khan i Goethe-Institut-evenemanget – och det kan vara så att när kvantmusiken mognar kommer den inte att likna mycket vad dagens pionjärer gör. "De här första två till tre åren är experimentella", säger han.

Miranda hoppas att det kan bli möjligt att uttrycka – i ljud – kvantbegrepp som förveckling och koherens som är svåra att intuita intellektuellt. "Det är den heliga gralen", säger han. "Jag vill uppnå det här men jag vet inte hur." Men för Coecke handlar det om att katalysera en övergång till kvanttänkande. "Om du sätter ihop saker i kvantvärlden, dyker plötsligt ett nytt universum av möjligheter upp."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/