Composições quânticas e o futuro da IA na música

O mais recente colaborador musical de Eduardo Reck Miranda é um computador quântico localizado a 5.600 quilômetros de distância.

Em sua composição "Qubism", do disco de mesmo nome, o professor de música de computador faz uma improvisação de chamada e resposta incorporando circuitos processados por um IBM® Quantum Eagle, um chip quântico de 127 qubits, um dos muitos processadores que alimentam os computadores quânticos localizados no data center IBM QUANTUM em Poughkeepsie: um violino executa um solo, então o computador responde com um riff gerado por computação quântica.

Reck apresentou a peça pela primeira vez, "Qubism", com a London Sinfonietta no ano passado. Na gravação abaixo, que aparece na edição em volume do disco, você pode ouvir o solo de violino começar aos 4:15, e uma resposta baseada nas saídas do computador dos 4:33 aos 5:23.

Ouça "Qubism" aqui.

Miranda tem sido um inovador no campo da música gerada por IA há várias décadas. Conversamos com ele para saber mais sobre o que o inspirou a investigar computação quântica para seu álbum mais recente, e para onde ele vê a IA e a música caminhando no futuro.

Trabalho com IA desde o final dos anos 1980. Em 1994, defendi uma tese de doutorado na University of Edinburgh sobre o uso de IA para projeto de som e música. Essa foi provavelmente a primeira tese sobre esse assunto no Reino Unido.

No entanto, devemos ter em mente que a IA é um software, e o software de IA precisa de hardware para funcionar. Sempre fiquei intrigado com o fato de que a IA ainda funciona em um tipo de computador descrito pela primeira vez por John Von Neumann na década de 1940, conhecido como a “arquitetura Von Neumann”. Isso é o que, nos círculos de computação quântica, as pessoas se referem como “computadores clássicos”.

Desde o início da minha carreira, tenho feito pesquisa de tipos alternativos de computadores para desenvolver IA. Minha teoria de origem é que novos tipos de arquiteturas de computação podem oferecer novas abordagens para a IA.

Durante meus estudos de doutorado, fui inspirado a aprender sobre a chamada "arquitetura de Harvard", que evitou o gargalo de Von Neumann causado pela busca de dados e instruções da mesma memória. Além disso, tive a sorte de ter a oportunidade de trabalhar com computadores paralelos com multiprocessadores de memória compartilhada e distribuída no Centro de Computação Paralela de Edimburgo [agora chamado EPCC]. Em 1995, compus uma peça de música eletrônica intitulada “Olivine Trees” usando um Cray T3D, o maior supercomputador da Europa naquela época.

Obviamente, a computação quântica estava no meu radar há um tempo. Mas, no início, tudo era teórico e difícil de entender. Muitas vezes descobri que os físicos tinham uma maneira diferente de falar sobre processamento de informações dos cientistas da computação. E não havia computadores quantum reais disponíveis até relativamente recentemente. Tomei conhecimento do IBM Quantum Experience [agora conhecido como IBM Quantum Platform] no final de 2016, que permitia que qualquer pessoa com conexão à internet acessasse um processador quântico de 5 qubits. Então, no início de 2017, comecei a me concentrar na pesquisa de IA e sistemas de geração de música processual com computação quântica, e a compor música com eles. O resto é história!

Para o Qubism, desenvolvi duas abordagens para compor com a computação quântica. Uma usa autômatos celulares quânticos particionados, ou PQCA, para geração de procedimentos. O PQCA é um meio de implementar autômatos celulares – sistemas de computação abstratos que atualizam iterativamente com base em uma regra – em computadores quânticos. Desenvolvi métodos para converter amostras de ciclos de PQCA em estruturas musicais, como agregados de notas, metodologias, ritmos e assim por diante. O que é interessante sobre o PQCA é que as amostras medidas constituem padrões coerentes que evoluem no tempo. Esses padrões produziram estruturas musicais em evolução semelhantes a uma forma musical conhecida como "variações sobre um tema". As variações sobre um tema musical referem-se a uma técnica composicional em que o compostor pega um tema ou metodologia específica e o altera de várias maneiras. Johann Sebastian Bach, por exemplo, é conhecido por ser um gênio em improvisar variações de um determinado tom.

Mas o que é ainda mais interessante, gerei música executando um PQCA com 120 qubits em um IBM Quantum Eagle. Eu argumentaria que o Qubism não teria sido possível sem um computador quântico.

O outro método utilizava computação quântica para aprendizado de máquina. Em momentos específicos durante o desempenho, o computador quântico "ouviu" o violino e produziu respostas. [Meus colaboradores e eu] desenvolvemos um sistema para extrair regras de sequenciamento da música de entrada. O sistema codifica as regras em circuitos quânticos. Os circuitos dizem a um computador quântico para gerar funções de onda com amplitudes que codificam a estocasticidade musical. Em outras palavras, eles codificam as probabilidades de certas notas seguirem outras em um ajuste. Uma medição define qual nota segue outra.

Para gerar as respostas, um notebook no palco gravava o violino, fez os circuitos quânticos e os retransmitiu para o computador quântico na nuvem para processamento. Em seguida, após alguns segundos, as medições foram recuperadas da nuvem e as respectivas respostas musicais foram sintetizadas.

O que é empolgante aqui é que apenas cinco qubits e algumas linhas de código Qiskit foram necessários para o software codificar as regras de sequenciamento musical. Se eu fosse usar o aprendizado de máquina padrão em execução em um computador clássico, certamente precisaria de redes neurais famintas por computação para fazer o mesmo trabalho.

Isso não mudou drasticamente. Meu processo de composição compreende vários estágios. Em uma extremidade está o estágio de programação de computador, por assim dizer, e na outra extremidade está a renderização musical criativa dos materiais gerados por um computador. Este último é o que eu mais gosto, porque é quando transformo dados gerados por computador em música de verdade. A comunidade de tecnologia musical geralmente se refere a essa prática como "mapeamento", ou seja, mapear dados abstratos, ou representações, na música.

Dito isso, quando trabalho com computadores quânticos, definitivamente preciso de uma mudança de mentalidade, porque estou pesquisando como aproveitar essas máquinas para gerar materiais de composição.

Sou privilegiado no sentido de que tenho uma longa experiência em programação de computadores. Gosto de escrever código. No entanto, sei que esse não é o caso de muitos músicos. Portanto, estou em uma missão para facilitar o acesso à computação quântica para músicos. Recentemente, juntei forças com Moth, uma empresa de Tecnologia de computação quântica recém-formada, para desenvolver ferramentas de software fáceis de usar para os setores criativos, com foco na música.

O trabalho de Iannis Xenakis foi muito influente em meus anos de formação. Eu já era formado em computação quando voltou para a universidade para estudar música de forma mais formal. Seu livro Formalized Music me ensinou como aproveitar minha experiência em computação para compor música. Este livro descreve suas abordagens inovadoras para a composição musical, explorando a teoria de categorias, os processos estocásticos, a lógica formal e os modelos geométricos para criar música. Eu diria que entender o trabalho de Xenakis é um pré-requisito para explorar o potencial dos computadores quânticos para a música.

Outros músicos inspiradores que trabalharam com computadores em meus anos de formação foram Jean-Claude Risset, John Chowning, Aurie Spiegel e Brian Eno. Mas foi a banda Kraftwerk que me levou à música eletrônica. Eles integraram tecnologia, incluindo sequenciadores e sons gerados por computador, para criar seu estilo eletrônico distinto, que ainda acho atraente hoje.