Generatieve data-intelligentie

De Goethe-Institut, tegenover het Imperial College in Londen, is niet het soort plek waar je de nieuwste avant-gardekunst zou verwachten. Met zijn neoklassieke façade en een geschiedenis van voorzien Duitse taallessen, het lijkt nauwelijks het type locatie om een ​​evenement te organiseren met muzikanten zoals Peter Gabriel en Brian Eno, samen met een aantal kwantumfysici. Maar de geluiden die afgelopen december uit de collegezaal kwamen, waren nogal onverwacht: drones, bliepjes en uitbarstingen van wilde beats die meer leken op de soundtrack van een experimentele undergroundfilm.

Dit was in feite het geluid van quantum computing.

Het evenement werd bijgewoond door ongeveer 150 mensen, die luisterden een geïmproviseerde muzikale uitvoering georkestreerd door de Braziliaanse componist en informaticus Eduardo Reck Miranda, die momenteel is gevestigd aan de Universiteit van Plymouth in het Verenigd Koninkrijk. In één stuk gebruikten Miranda en twee collega's elk hun eigen laptops, die via internet waren verbonden met een kwantumcomputer, om - via handgebaren - de toestand van een kwantumbit (qubit) te controleren. Toen de toestand van de qubit werd gemeten, dicteerde het resultaat de kenmerken van de geluiden die door synthesizers in Londen werden gecreëerd.

Als dat bizar klinkt - nou ja, dat deed het echt.

Ik wil machines ontwikkelen die me helpen creatief te zijn en die mijn normale manier van doen uitdagen

Eduardo Miranda, Universiteit van Plymouth

Bij quantumcomputing wordt informatie gecodeerd in superpositietoestanden van verstrengelde qubits, waardoor sommige berekeningen veel efficiënter kunnen worden uitgevoerd dan met klassieke machines mogelijk is. Hoewel deze apparaten nog steeds prototypen zijn die beperkt zijn tot de laboratoria van technische reuzen zoals IBM en Kopen Google Reviews, willen componisten als Miranda graag ontdekken wat de nieuwe technologie hen te bieden heeft. "Ik wil machines ontwikkelen die me helpen creatief te zijn en die mijn normale manier van doen uitdagen", zegt hij.

[Ingesloten inhoud]

Quantum computing, meent Miranda, "bevordert een andere manier van denken, [wat op zijn beurt] zal leiden tot andere manieren van denken over muziek." Het is een mening gedeeld door Bob Coecke – een andere medewerker van Miranda – die natuurkundige is bij het in Oxford gevestigde bedrijf voor kwantumcomputers kwantum. “Als je de manier waarop je naar de dingen kijkt en de taal die je gebruikt verandert, kom je op geheel nieuwe ideeën”, zegt Coecke.

Ik ben gefascineerd om te weten hoe [deze muziek] werkt.

Brian Eno, muzikant

Kwantummuziek is momenteel een beslist nichegebied, maar wel een die veel belangstelling trekt. Het Goethe-Institut-evenement werd inderdaad bijeengeroepen ter gelegenheid van de lancering van een nieuw boek onder redactie van Miranda, Quantumcomputermuziek, dat beweert het allereerste boek over dit onderwerp te zijn (Springer, 2022). Ondertussen plant Coecke dit jaar een quantum art/science-mash-up in Oxford met Miranda en de Italiaanse theoreticus Carlo Robelli.

"Ik ben gefascineerd om te weten hoe [deze muziek] werkt", zei Eno na de uitvoering van het Goethe-Institut in een interview met het Goethe-Institut. "Het is moeilijk voor mij om een ​​oordeel te vellen, omdat je niet weet hoeveel van die beslissingen door mensen zijn genomen en hoeveel er uit dat andere soort intelligentie komt."

Een natuurlijke samenwerking

Het idee om computerachtige algoritmen in muziek te gebruiken dateert uit de jaren 1840, toen wetenschappers en wiskundigen Ada Lovelace eerst gespeculeerd over het gebruik van Charles Babbage's Analytische machine - een soort steampunk-rekenapparaat gemaakt van ingewikkelde reeksen koperen tandwielen - om "uitgebreide en wetenschappelijke muziekstukken van elke mate van complexiteit of omvang te componeren". In sommige opzichten was het een natuurlijk partnerschap, want veel van de muziek zelf heeft een algoritmische en wiskundige basis, weerspiegeld door de symmetrieën die zichtbaar zijn in de werken van barokcomponisten zoals Johann Sebastian Bach.

Het gebruik van kans en waarschijnlijkheid in "geautomatiseerde" samenstelling werd zelfs eerder populair, in de Musikalisches Würfelspiel (muzikale dobbelspellen) uit de 18e eeuw, waarbij kleine muziekstukken werden samengesteld met behulp van dobbelstenen. Eén samenstelling naar verluidt geschreven door Mozart in 1787 kan een voorbeeld van het genre zijn. Het zou zijn gespeeld door Mozart die vele malen met een paar dobbelstenen had gegooid, waarbij het nummer dat bij elke gelegenheid werd gegooid, overeenkwam met een bepaald vooraf geschreven gedeelte van de muziek. Het resultaat was een willekeurig aan elkaar geplakte compositie die per uitvoering verschilde en waar je naar kunt luisteren bit.ly/3HivOLk.

Het was dit element van willekeur dat modernistische componisten naar computers trok in de begintijd van digitale machines. In de jaren 1950 en 1960, John Cage stond in het middelpunt van een groep van technologieminnende muzikanten uit New York, waaronder Yoko Ono en de overleden Japanse componist Toshi Ichiyanagi, wiens dubbelzinnige score uit 1960 IBM voor Merce Cunningham werd geïnspireerd door de ponskaarten van vroege computers. Te zien bij de Museum voor Moderne Kunst in New York, is zijn partituur evenzeer een kunstwerk als een echt muziekstuk - hoe (als het al is) het moet worden geïnterpreteerd, is aan elke potentiële artiest.

Cage was ook een van de vele artiesten die bij de Experimenten in kunst en technologie collectief, waaronder ingenieurs van Bell-laboratoria in New Jersey, waar Cage zou rondhangen om ideeën op te doen. Door toeval te gebruiken, legde hij uit, hoopte hij de valkuil te vermijden zichzelf in zijn composities te herhalen.

Voorlopig doen we [kwantummuziek] op een heel naïeve manier omdat de machines beperkt zijn.

Bob Coecke, Quantinuum

In de jaren zestig en zeventig de Grieks-Franse componist Iannis Xenakis – een leerling van de Franse componist Olivier Messiaen - verwerkte computers, algoritmen en verschillende stochastische processen in zijn compositiemethoden. Ondertussen is het in Parijs gevestigde IRCAM-instituut, opgericht door componist Pierre Boulez, werd in de jaren zeventig een centrum van avant-gardemuziek en maakte veel gebruik van computers, signaalgeneratoren, magneetband en andere elektronische bronnen.

Digitale informatietechnologie staat nu centraal in de productie en reproductie van reguliere muziek. Sommige van de signaalverwerkingsalgoritmen en hardware die tegenwoordig alomtegenwoordig zijn in muziek en video, zijn ontwikkeld door Bell Labs - en het zou moeilijk zijn om de moderne muziekindustrie voor te stellen zonder dat soort digitale technologie. Het was dan ook onvermijdelijk dat, terwijl kwantumcomputers in de afgelopen twee decennia veranderden van een theoretisch voorstel naar echte machines, muzikanten nieuwsgierig zouden worden naar wat deze apparaten voor hen zouden kunnen doen.

Een kwantumrevolutie

Openbaar beschikbare bronnen voor kwantumcomputers zijn echter relatief beperkt, dus Miranda is beperkt tot het gebruik van een zeven-qubit, cryogeen gekoeld IBM Quantum apparaat gehuisvest in New York, toegankelijk via de cloud. Miranda geeft wel toe dat er tot nu toe niets in de kwantumalgoritmen die hij gebruikt om zijn composities te maken, is dat niet ook met een klassieke computer kan worden gesimuleerd. "Voorlopig doen we [kwantummuziek] op een heel naïeve manier omdat de machines beperkt zijn", voegt Coecke toe.

Toch, zoals Miranda uitlegt, zouden sommige van de algoritmen die hij aan het ontwikkelen is al rekenkundig duur en traag zijn op klassieke apparaten, en moeilijk real-time te implementeren tijdens een concert. Maar rekensnelheid is niet echt het belangrijkste probleem als het gaat om het gebruik van kwantumfysica om muziek te componeren. De grote aantrekkingskracht van kwantumalgoritmen is eerder een bron van willekeur in muzikale keuzes.

Net als bij sommige eerdere computergebaseerde muziek, kunnen bepaalde parameters van de partituur, zoals de toonhoogte of duur van een noot, worden toegewezen aan willekeurige keuzes die door de machine worden gemaakt. Maar terwijl klassieke computers slechts een soort algoritmisch gegenereerde pseudo-willekeurigheid bieden, hebben kwantumapparaten toegang tot de echte willekeur die betrokken is bij de uitkomst van een kwantummeting. Het universum, zou je kunnen zeggen, maakt de keuzes. Bovendien kan dit in realtime worden gedaan.

Hoe kunnen we groeien en ons ontwikkelen als we geen andere wegen verkennen?

Craig Stratton, violist

Miranda stelt zich een componist voor die een bepaald algoritme toewijst aan een muziekstuk, dat vervolgens tijdens een optreden via een kwantumcomputer wordt afgespeeld. Met andere woorden, de kwantumcomputer kan op afstand staan, zoals bij het evenement in Londen, maar stuurt zijn meetresultaten gewoon terug naar bijvoorbeeld een klassieke toongenerator. "Je stelt de voorwaarden, maar je weet niet helemaal zeker wat het zal opleveren totdat het stuk wordt uitgevoerd", zegt Miranada. "De voorstelling zal uniek zijn voor dat specifieke moment."

Het Goethe-Institut-evenement toonde andere manieren waarop kwantummuziek zou kunnen werken. In één stuk, de Britse violist Craig Straton een kort deuntje geïmproviseerd. De toonhoogte en duur van elke noot werden weergegeven als kwantumtoestanden die vervolgens naar de IBM-computer in New York werden gestuurd. Daar verwerkte het apparaat de toestanden om een ​​reactie te formuleren die even later in Londen werd 'opnieuw gemusiceerd' en afgespeeld door een toonsynthesizer (in dat geval met behulp van een saxofoongeluid).

Deep-learning AI-algoritmen voor dergelijke muzikale "call-and-response"-improvisatie zijn al bedacht. Maar volgens Miranda produceren die algoritmen slechts pastiches van de muziek waarop ze zijn getraind. Kwantumcomputers daarentegen zullen zich waarschijnlijk "meer als een partner dan als een imitator" gedragen. De door de computer gegenereerde melodische reacties op Strattons improvisaties leken inderdaad weinig op de prikkels die ze uitlokten, met slechts een paar verleidelijke echo's van de oorspronkelijke geluiden.

Stratton, die het proces intrigerend vond, is van mening dat kwantumcomputers zeker een plaats hebben in de ontwikkeling van muziek. "Hoe kunnen we groeien en ons ontwikkelen als we geen andere wegen verkennen?" hij vraagt.

Bloch hoofden

In een ander stuk, Miranda en zijn Plymouth-collega's Piet Thomas en Paulo Itaborai gebruikte verschillende computerinterfaces om te manipuleren "Bloch-sferen". Vernoemd naar de Nobelprijswinnende natuurkundige Felix Bloch, deze bollen zijn geometrische figuren die de vectorcomponenten beschrijven van een kwantumsysteem met twee niveaus (de punten aan het oppervlak zijn zuivere toestanden en die aan de binnenkant zijn gemengde toestanden). Tijdens het evenement in Londen droegen Miranda en Itaborai een bewegingsgevoelige ring en handschoen om besturingssignalen door handgebaren naar een laptop te sturen, terwijl Thomas een paneel met knoppen gebruikte.

Deze signalen werden naar een kwantumcircuit geleid dat op afstand op de IBM-kwantumcomputer draaide, waar de muzikanten de oriëntatie van een Bloch-bol roteerden (waarvan een visuele weergave op een scherm achter de artiesten werd geprojecteerd). Op bepaalde momenten konden de artiesten ervoor kiezen om hun qubit te 'meten', waardoor deze 'instortte' in een bepaalde maar fundamenteel onvoorspelbare outputstatus. (Je kunt zelf een klassieke simulatie van het proces proberen op bit.ly/41fXVnr).

Het geluid dat daaruit voortkomt, zal altijd verrassend zijn. We weten niet wat het zal zijn totdat we de meting doen

Eduardo Miranda, Universiteit van Plymouth

De waarde van deze status werd vervolgens gebruikt om de parameters te bepalen van het geluid dat werd gegenereerd door drie geluidssynthesizers die aan elke artiest waren toegewezen. "Het geluid dat eruit voortkomt, zal altijd verrassend zijn", zegt Miranda. "We weten niet wat het zal zijn tot we de meting doen." De drie artiesten reageerden vervolgens op wat ze hoorden met hun opeenvolgende handbewegingen, waardoor het resultaat een constante samenwerking werd tussen elke muzikant en zijn instrument en ook met elkaar.

Miranda noemt de voorstelling een ingestudeerde improvisatie. "We hebben het een paar keer eerder geoefend en kwamen een paar dingen overeen die we zouden doen, ongeveer zoals jazzspelers doen", zegt hij. Bij deze gelegenheid waren alle drie de qubits onafhankelijk, maar Miranda wil graag manieren vinden om de qubits zo te verstrengelen dat ze allemaal afhankelijk zijn van de andere, waardoor de muzikanten zelf letterlijk op nieuwe manieren aan elkaar worden gekoppeld.

Een nieuw soort muziek

Quantumcomputing gebruiken voor het maken van muziek is "als het leren spelen van een nieuw muziekinstrument", zegt Maria Mannone, een theoretisch natuurkundige die werkt aan kwantuminformatie aan de Universiteit van Palermo in Italië, die ook componist is. "We moeten leren hoe we de muziek kunnen spelen die we willen, maar tegelijkertijd kunnen de specifieke kenmerken van het nieuwe instrument beperkingen creëren en bepaalde ideeën suggereren."

Miranda vermoedt dat een van de manieren om de mogelijkheden te benutten, is om een ​​kwantumcomputer onverwachte muziekfragmenten te laten bedenken die de componist de kern van ideeën leveren om te ontwikkelen, eerder op de manier waarop door AI gegenereerde muziek momenteel wordt gebruikt. "Ik probeer," zegt hij, "om de machine me materiaal te laten geven waar ik zelf niet op zou komen - ideeën waarmee ik kan werken."

Alles, vooral in de wetenschappen, kan een bron van inspiratie zijn

Maria Mannone, Universiteit van Palermo, Italië

Een van de huidige obstakels voor de uitbreiding van het veld is de pure onbekendheid en technische complexiteit van de kwantummechanica zelf. Miranda's nieuwe boek Quantumcomputermuziek is geen handleiding voor angsthazen, gevuld met golffuncties en matrixalgebra. Muzikanten zullen worden afgeschrikt, terwijl de natuurkundigen en ingenieurs die de theorie begrijpen vaak weinig kennis hebben van muzikale tradities.

Maar hij hoopt dat er gebruiksvriendelijke interfaces worden ontwikkeld die de toetredingsdrempel verlagen, net als voor computers in het algemeen. Miranda's qubit-rotaties worden bijvoorbeeld bestuurd door eenvoudige handgebaren, vergelijkbaar met de manier waarop de theremin – een elektronisch muziekinstrument – ​​wordt bespeeld.

Een andere aanpak wordt gepionierd door Jim Wever, een kwantumwetenschapper bij IBM Onderzoekscentrum Yorktown Heights in New York, die de ontwikkelde Quantum speelgoedpiano. Het is een muzikaal hulpmiddel dat een kwantumcomputer gebruikt om op probabilistische wijze melodieën en harmonieën te genereren, gebruikmakend van de inherente willekeur van het meten van qubit-toestanden om wijs de noten toe.

[Ingesloten inhoud]

Weaver heeft dergelijke ideeën al uitgewerkt tot de Quantum Muziek Speeltuin, waarin een gebruiksvriendelijke interface de gebruiker in staat stelt kwantumtoestanden te manipuleren om composities met meerdere instrumenten te creëren. "[Mensen] kunnen spelen totdat de muziek klinkt zoals ze zouden willen", zegt Weaver. "Het is muziek van de Bloch-sferen", grapt hij, verwijzend naar het oude idee van een kosmische "muziek van de hemelsferen" (het idee dat de relatieve bewegingen van de zon, maan en planeten zijn een vorm van muziek).

Dit systeem draait eigenlijk op een klassieke simulatie van kwantumtoestanden uitgevoerd door een conventionele computer, in plaats van op een echt kwantumapparaat. Dit komt omdat het volledige kennis van de kwantumtoestand vereist - wat niet kan worden gedaan voor een echte qubit omdat een meting de toestand instort. Weaver, die de tool zowel als educatief als muzikaal beschouwt, hoopt dat het studenten (en muzikanten) kan helpen een intuïtie te ontwikkelen voor kwantumcomputing-algoritmen. Het werk kan niet alleen de muziek veranderen, maar ook de kwantumwetenschap ten goede komen.

Een andere optie om de technische barrières te overwinnen, is dat muzikanten zich inbedden in de kwantumonderzoeksgemeenschap. Dat is de insteek van de Amerikaanse componist Spencer Topel, die in 2019 was artiest in residentie at Yale Quantum Instituut, de thuisbasis van experts op het gebied van kwantumtechnologie, zoals Michel Devoret en Robert Scheelkopf. Tijdens zijn periode bij Yale creëerde Topel een live optreden waarin de muziek werd geproduceerd uit metingen van de dynamiek van de supergeleidende kwantumapparaten die als qubits worden gebruikt in de meeste huidige kwantumcomputers.

[Ingesloten inhoud]

Muzikanten zouden ook baat kunnen hebben bij het leren van een beetje kwantummechanica. "Componisten moeten goed geïnformeerd zijn", benadrukt Mannone, "omdat alles, vooral in de wetenschappen, een bron van inspiratie kan zijn." Het vereiste kennisniveau hoeft inderdaad niet zo ontmoedigend te zijn. Zoals ze opmerkt, doen sommige van degenen die nu kwantumcode schrijven voor andere toepassingen "prachtig werk terwijl ze slechts een basiskennis hebben van kwantumpoorten en -principes".

In haar eigen werk heeft Mannone kwantumfysica gebruikt om muziek te analyseren – bijvoorbeeld door een techniek te gebruiken die is ontwikkeld om het geheugen van open kwantumsystemen te kwantificeren om de hoeveelheid herhaling en gelijkenis in muzikale composities te meten (Journal of creatieve muzieksystemen doi.org/10.5920/jcms.975).

Hoor er alles over

Als je je afvraagt ​​waar je zelf kwantummuziek kunt horen, Miranda heeft zijn zinnen gezet op een live optreden in een concertzaal via een aanstaande samenwerking met het London Sinfonietta. Hij voorziet ook dat dit soort componeren infiltreert in minder formele instellingen zoals clubs, wellicht via de "live coding" beweging, een nieuwe performancekunst waarin DJ-achtige codeerders programma's schrijven om audiovisuele media geïmproviseerd en interactief aan te sturen, eventueel gecombineerd met dans, poëzie en muziek (een voorbeeld is te beluisteren op bit.ly/3Z8hUDg).

Om de groei van de gemeenschap te stimuleren, werkte Miranda in november 2021 samen met IBM Quantum en Quantinuum om de eerste Internationaal symposium over Quantum Computing en muzikale creativiteit. "We weten nog niet wat de mogelijkheden zijn voor kwantummuziek", zei de toenmalige CEO van Quantinuum Ilyas Khan tijdens het evenement van het Goethe-Institut – en het kan zijn dat naarmate kwantummuziek volwassener wordt, het weinig zal lijken op wat de pioniers van vandaag doen. "Deze eerste twee tot drie jaar zijn experimenteel", zegt hij.

Miranda hoopt dat het mogelijk wordt om - in geluid - kwantumconcepten uit te drukken, zoals verstrengeling en coherentie die intellectueel moeilijk te begrijpen zijn. "Dat is de heilige graal", zegt hij. “Ik wil dit bereiken, maar ik weet niet hoe.” Maar voor Coecke draait het allemaal om het katalyseren van een omschakeling naar kwantumdenken. “Als je dingen bij elkaar zet in de kwantumwereld, ontstaat er ineens een nieuw universum aan mogelijkheden.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/