Чи можемо ми використовувати квантові комп’ютери для створення музики?

Команда Goethe-Institut, навпроти Імперського коледжу в Лондоні, не є тим місцем, де ви очікуєте зустріти передове авангардне мистецтво. З його неокласичним фасадом та історією забезпечення Заняття з німецької мови, навряд чи це місце для проведення заходу, у якому беруть участь такі музиканти Пітер Гебріел та Брайан Інопоряд із низкою квантових фізиків. Але звуки, які виходили з його лекційного залу в грудні минулого року, були досить несподіваними: гул, звукові сигнали та спалахи диких ритмів більше нагадували саундтрек експериментального підпільного фільму.

Насправді це був звук квантових обчислень.

На заході були присутні близько 150 осіб, які слухали імпровізована музична вистава в оркестрові бразильського композитора та комп’ютерника Едуардо Рек Міранда, який зараз працює в Університеті Плімута у Великобританії. В одній частині Міранда та двоє її колег користувалися власними ноутбуками, які були підключені до квантового комп’ютера через Інтернет, щоб керувати – за допомогою жестів – станом квантового біта (кубіта). Коли було виміряно стан кубіта, результат продиктував характеристики звуків, створених синтезаторами в Лондоні.

Якщо це звучить дивно – так, це дійсно так.

Я хочу розробити машини, які допоможуть мені бути креативним і кинуть виклик моєму звичайному способу роботи

Едуардо Міранда, Плімутський університет

У квантових обчисленнях інформація кодується в станах суперпозиції переплутаних кубітів, що дозволяє виконувати деякі обчислення набагато ефективніше, ніж це можливо на класичних машинах. Хоча ці пристрої все ще є прототипами, які обмежуються лабораторіями технологічних гігантів, таких як IBM та Google, такі композитори, як Міранда, прагнуть дізнатися, що може запропонувати їм нова технологія. «Я хочу розробити машини, які допоможуть мені бути креативним і кинуть виклик моєму звичайному способу роботи», — каже він.

[Вбудоване вміст]

Міранда вважає, що квантові обчислення «сприяють іншому способу мислення, [що, у свою чергу] призведе до інших способів мислення про музику». Це погляд, який поділяє Боб Коке – ще один із співробітників Міранди – який є фізиком в оксфордській компанії квантових обчислень Квантинуум. «Якщо ви зміните свій погляд на речі та мову, якою ви користуєтеся, у вас з’являться абсолютно нові ідеї», — каже Коке.

Я зачарований тим, як працює [ця музика].

Браян Іно, музикант

Наразі квантова музика є явно нішевою сферою, але вона викликає певний інтерес. Дійсно, подія Goethe-Institut була скликана, щоб відзначити презентацію нової книги під редакцією Міранди, Квантова комп'ютерна музика, яка претендує на статус першої книги на цю тему (Springer, 2022). Коеке, тим часом, планує цього року в Оксфорді поєднати квантове мистецтво та науку з Мірандою та італійським теоретиком. Карло Ровеллі.

«Я зачарований тим, як працює [ця музика]», — сказав Іно після виступу Goethe-Institut в інтерв’ю Goethe-Institut. «Мені важко зробити висновок, тому що ви не знаєте, скільки з цих рішень прийняли люди і скільки випливає з цього різного роду інтелекту».

Природне партнерство

Ідея використання комп’ютерних алгоритмів у музиці сягає 1840-х років, коли вчений і математик Ада Ловелас вперше висловив припущення про використання Чарльза Беббіджа Аналітична машина – свого роду обчислювальний пристрій у стилі стімпанк, виготовлений із складних масивів мідних зубців – щоб «створювати складні та наукові музичні твори будь-якого ступеня складності чи обсягу». У певному сенсі це було природне партнерство, оскільки велика частина музики сама по собі має алгоритмічну та математичну основу, відображену симетрією, очевидною у творах барокових композиторів, таких як Йоганн Себастьян Бах.

Використання випадковості та ймовірності в «автоматизованій» композиції стало популярним ще раніше, в Musicalisches Würfelspiel (музичні ігри в кості) 18 ст., у яких невеликі музичні твори збиралися за допомогою кидків кубиків. Одна композиція імовірно написаний Моцартом у 1787 році може бути прикладом жанру. Його можна було б зіграти, коли Моцарт багато разів кидав пару кубиків, і число, що викидалося кожного разу, відповідало певному заздалегідь написаному фрагменту музики. В результаті вийшла хаотично зшита композиція, що відрізнялася в кожному виконанні, яку ви можете прослухати bit.ly/3HivOLk.

Саме цей елемент випадковості привернув композиторів-модерністів до комп’ютерів на початку появи цифрових машин. У 1950-1960-х рр. Джон Кейдж був у центрі групи нью-йоркських музикантів, які люблять технології, до якої входив Йоко Оно і покійний японський композитор Тоші Ічіянагі, чия неоднозначна оцінка 1960 р IBM для Мерса Каннінгема був натхненний перфокартами перших комп’ютерів. На виставці в Музей сучасного мистецтва в Нью-Йорку, його партитура є таким же витвором мистецтва, як і справжнім музичним твором – будь-який потенційний виконавець вирішує, як (якщо це все) її інтерпретувати.

Кейдж також був одним із кількох художників, які брали участь у Експерименти в мистецтві та техніці колективу, до складу якого входили інженери с Bell Laboratories в Нью-Джерсі, де Кейдж збирався черпати ідеї. Він пояснив, що використовуючи випадковість, він сподівався уникнути пастки повторення себе у своїх творах.

Наразі ми створюємо [квантову музику] дуже наївним способом, оскільки машини обмежені.

Боб Коке, Quantinuum

У 1960—1970-х роках грец.-франц Яніс Ксенакіс – учень французького композитора Олів'є Мессіан – включив комп’ютери, алгоритми та різні стохастичні процеси у свої методи композиції. Тим часом паризький інститут IRCAM, заснований композитором П'єр Булез, став центром авангардної музики в 1970-х роках, широко використовуючи комп’ютери, генератори сигналів, магнітну стрічку та інші електронні ресурси.

Цифрові інформаційні технології зараз займають центральне місце у виробництві та відтворенні основної музики. Деякі з алгоритмів обробки сигналів і апаратного забезпечення, які сьогодні повсюдно поширені в музиці та відео, були розроблені в Bell Labs – і важко уявити сучасну музичну індустрію без такого роду цифрових технологій. Тому було неминуче, коли квантові комп’ютери за останні два десятиліття перетворювалися з теоретичної пропозиції на реальні машини, музикантам було цікаво, що ці пристрої можуть для них зробити.

Квантова революція

Загальнодоступні квантові обчислювальні ресурси, однак, відносно обмежені, тому Міранда обмежена використанням семикубітного кріогенного охолоджувача. IBM Quantum пристрій, розміщений у Нью-Йорку, доступ до якого здійснюється через хмару. Міранда визнає, що поки що в квантових алгоритмах, які він використовує для створення своїх композицій, немає нічого, що не можна було б змоделювати за допомогою класичного комп’ютера. «Поки що ми створюємо [квантову музику] дуже наївно, оскільки машини обмежені», — додає Коке.

Проте, як пояснює Міранда, деякі з алгоритмів, які він розробляє, вже будуть дорогими в обчислювальному плані та повільними на класичних пристроях, і їх важко реалізувати в режимі реального часу під час концерту. Але швидкість обчислень насправді не є головною проблемою, коли йдеться про використання квантової фізики для створення музики. Велика привабливість квантових алгоритмів полягає, скоріше, як джерело випадковості у музичному виборі.

Як і у випадку з більш ранньою комп’ютерною музикою, окремі параметри партитури, такі як висота або тривалість ноти, можуть бути призначені випадковим вибором, зробленим машиною. Але в той час як класичні комп’ютери пропонують лише свого роду алгоритмічно згенеровану псевдовипадковість, квантові пристрої отримують доступ до справжньої випадковості, пов’язаної з результатом квантового вимірювання. Всесвіт, можна сказати, робить вибір. Більше того, це можна зробити в режимі реального часу.

Як нам рости та розвиватися, якщо ми не досліджуємо інші шляхи?

Крейг Стреттон, скрипаль

Міранда уявляє, як композитор призначає музичному твору певний алгоритм, який потім відтворюється за допомогою квантового комп’ютера під час виступу. Іншими словами, квантовий комп’ютер може бути віддаленим, як це було на заході в Лондоні, але просто надсилає результати своїх вимірювань назад, скажімо, класичному тональному генератору. «Ви встановлюєте умови, але не зовсім впевнені, що це дасть, доки твір не буде виконано», — каже Міранада. «Виступ буде унікальним для цього моменту».

Подія Goethe-Institut показала інші способи роботи квантової музики. В одному творі британський скрипаль Крейг Стреттон імпровізував коротку мелодію. Висота та тривалість кожної ноти були представлені у вигляді квантових станів, які потім були надіслані на комп’ютер IBM у Нью-Йорку. Там пристрій обробляв стани, щоб сформулювати відповідь, яка була «повторно музикалізована» та відтворена в Лондоні синтезатором тону (у цьому випадку з використанням звуку саксофона) через кілька секунд.

Алгоритми штучного інтелекту з глибоким навчанням для такої музичної імпровізації «виклик-і-відповідь» вже були розроблені. Але, за словами Міранди, ці алгоритми, як правило, створюють лише фрагменти музики, на якій вони навчаються. Квантові комп’ютери, навпаки, ймовірно, поводитимуться «скоріше як партнер, ніж імітатор». Дійсно, створені комп’ютером мелодичні відгуки на імпровізації Стратона мало нагадували стимули, які їх провокували, зберігаючи лише кілька спокусливих відлунь початкових звуків.

Страттон, який знайшов цей процес інтригуючим, вважає, що квантові комп’ютери, безперечно, мають місце в розвитку музики. «Як нам рости та розвиватися, якщо ми не досліджуємо інші шляхи?» він питає.

Голови Блоха

В іншому творі Міранда та його колеги з Плімута Піт Томас та Пауло Ітаборай використовували різні комп’ютерні інтерфейси для маніпулювання «Сфери Блоха». Названий на честь фізика, лауреата Нобелівської премії Фелікс Блох, ці сфери є геометричними фігурами, які описують векторні компоненти дворівневої квантової системи (точки на поверхні є чистими станами, а ті, що знаходяться всередині, є змішаними станами). На лондонському заході Міранда та Ітаборай одягли кільце з датчиком руху та рукавичку, щоб передавати контрольні сигнали жестами рук на ноутбук, а Томас використовував панель ручок.

Ці сигнали подавалися на квантову схему, що віддалено запускалася на квантовому комп’ютері IBM, де музиканти обертали орієнтацію сфери Блоха (візуальне зображення якої проектувалося на екран позаду виконавців). У певний час виконавці могли вибрати «виміряти» свій кубіт, таким чином «згорнувши» його в певний, але принципово непередбачуваний вихідний стан. (Ви можете самостійно спробувати класичну симуляцію процесу на bit.ly/41fXVnr).

Отриманий звук завжди буде дивувати. Ми не знаємо, що це буде, поки не зробимо вимірювання

Едуардо Міранда, Плімутський університет

Потім значення цього стану використовувалося для визначення параметрів звуку, створюваного трьома звуковими синтезаторами, призначеними кожному виконавцю. «Отриманий звук завжди буде дивувати», — каже Міранда. «Ми не знаємо, що це буде, доки не зробимо вимірювання». Потім троє виконавців реагували на те, що вони чули, своїми наступними рухами рук, роблячи результатом постійну співпрацю як між кожним музикантом та їхнім інструментом, так і один з одним.

Міранда називає виставу відрепетированою імпровізацією. «Ми практикували це раніше кілька разів і домовилися про кілька речей, які будемо робити, майже як те, що роблять джазові виконавці», — каже він. Цього разу всі три кубіти були незалежними, але Міранда прагне знайти способи об’єднати кубіти так, щоб кожен залежав від інших – завдяки чому самі музиканти буквально об’єднуються по-новому.

Новий вид музики

Використовувати квантові обчислення для створення музики — це «як навчитися грати на новому музичному інструменті». Марія Манноне, фізик-теоретик, який працює над квантовою інформацією в університеті Палермо в Італії, який також є композитором. «Ми повинні навчитися грати ту музику, яку хочемо, але, в той же час, особливі особливості нового інструменту можуть створювати обмеження та підказувати певні ідеї».

Міранда підозрює, що один із способів використання цих можливостей — це змусити квантовий комп’ютер вигадувати несподівані музичні фрагменти, які дають ядра ідей для розробки композитором, а не так, як зараз використовується музика, згенерована ШІ. «Я намагаюся, — каже він, — змусити машину дати мені матеріал, який я б не придумав сам, — ідеї, з якими я можу працювати».

Все, особливо в науці, може бути джерелом натхнення

Марія Манноне, Університет Палермо, Італія

Однією з нинішніх перешкод на шляху розширення поля є незнайомість і технічна складність самої квантової механіки. Нова книга Міранди Квантова комп'ютерна музика не є посібником для слабкодухих, оскільки він наповнений хвильовими функціями та матричною алгеброю. Музиканти будуть злякані, тоді як фізики та інженери, які розуміються на теорії, як правило, мало знають про музичні традиції.

Але він сподівається, що будуть розроблені зручні для користувача інтерфейси, які знизять бар’єр входу, як і для обчислень загалом. Обертання кубіта Міранди, наприклад, контролюється простими жестами рук, схоже на спосіб, у який там – електронний музичний інструмент – грають.

Піонером є інший підхід Джим Уівер, квантовий вчений в IBM Дослідницький центр Yorktown Heights в Нью-Йорку, який розробив Квантове іграшкове піаніно. Це музичний інструмент, який використовує квантовий комп’ютер для імовірнісного генерування мелодій і гармоній, використовуючи притаманну випадковість вимірювання станів кубітів, щоб призначити ноти.

[Вбудоване вміст]

Вівер вже розвинув такі ідеї в Ігровий майданчик квантової музики, в якому зручний інтерфейс дозволяє користувачеві маніпулювати квантовими станами для створення композицій із кількома інструментами. «[Люди] можуть грати, доки музика не зазвучить так, як їм хочеться», — каже Вівер. «Це музика сфер Блоха», — іронізує він, посилаючись на старе уявлення про космічну «музику небесних сфер» (ідея про те, що відносні рухи Сонця, Місяця та планет є формою музики).

Ця система фактично працює на основі класичної симуляції квантових станів, що виконується звичайним комп’ютером, а не справжнім квантовим пристроєм. Це пов’язано з тим, що для цього потрібне повне знання квантового стану – чого неможливо зробити для реального кубіта, оскільки вимірювання руйнує стан. Вівер, який вважає цей інструмент освітнім і музичним, сподівається, що він може допомогти студентам (і музикантам) розвинути інтуїцію щодо алгоритмів квантових обчислень. Ця робота може не лише змінити музику, але й принести користь квантовій науці.

Іншим варіантом для подолання технічних бар’єрів для музикантів буде приєднання до спільноти квантових досліджень. Саме такий підхід дотримується американський композитор Спенсер Топель, який у 2019 році був художник-резидент at Єльський квантовий інститут, де проживають такі експерти з квантових технологій, як Мішель Деворе та Роберт Шолкопф. Під час перебування в Єльському університеті Топель творив живий виступ в якому музика була створена на основі вимірювань динаміки надпровідних квантових пристроїв, які використовуються як кубіти в більшості сучасних квантових комп’ютерів.

[Вбудоване вміст]

Музикантам також може бути корисно вивчити квантову механіку. «Композитори повинні бути обізнаними, — зазначає Манноне, — тому що все, особливо в науці, може бути джерелом натхнення». Дійсно, необхідний рівень знань не повинен бути таким страхітливим. Як вона зазначає, деякі з тих, хто зараз пише квантовий код для інших програм, «виконують чудову роботу, маючи лише базові знання про квантові ворота та принципи».

У своїй власній роботі Манноне використовувала квантову фізику для аналізу музики – наприклад, використовуючи техніку, розроблену для кількісного визначення пам’яті відкритих квантових систем, щоб вимірювати кількість повторів і подібності, які з’являються в музичних композиціях (Журнал творчих музичних систем doi.org/10.5920/jcms.975).

Почуйте все про це

Якщо вам цікаво, де ви можете почути квантову музику на власні очі, Міранда націлився на живий виступ у концертному залі завдяки майбутній співпраці з London Sinfonietta. Він також передбачає, що цей вид композиції проникне в менш формальні середовища, такі як клуби, можливо, через рух «живого кодування»., нове мистецтво перформансу, в якому кодери, схожі на ді-джеїв, пишуть програми для керування аудіовізуальними медіа в імпровізований та інтерактивний спосіб, можливо, у поєднанні з танцями, поезією та музикою (ви можете послухати приклад на bit.ly/3Z8hUDg).

Щоб стимулювати зростання спільноти, у листопаді 2021 року Miranda співпрацювала з IBM Quantum і Quantinuum, щоб провести першу Міжнародний симпозіум з квантових обчислень і музичної творчості. «Ми ще не знаємо, які можливості для квантової музики», — сказав тодішній виконавчий директор Quantinuum. Ілляс хан у заході Гете-Інституту – і, можливо, у міру розвитку квантової музики вона буде мало схожа на те, що роблять сучасні піонери. «Ці перші два-три роки є експериментальними», — каже він.

Міранда сподівається, що стане можливим виразити – у звуках – квантові концепції, такі як заплутаність і когерентність, які важко сприйняти інтелектуально. «Це святий Грааль», — каже він. «Я хочу цього досягти, але не знаю, як». Але для Coecke це все про каталізатор переходу до квантового мислення. «Якщо ви об’єднаєте речі в квантовому світі, раптом з’явиться новий всесвіт можливостей».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/