Composizioni quantistiche e il futuro dell'AI nella musica

L'ultimo collaboratore musicale di Eduardo Reck Miranda è un quantum computer situato a 3.500 miglia di distanza.

Nella sua composizione "Qubism", tratta dall'album omonimo, il professore di musica computerizzata si dedica a un'improvvisazione a duetto che incorpora circuiti elaborati da un IBM Quantum Eagle, un chip quantistico da 127 qubit, uno dei tanti processori che alimentano i computer quantistici situati presso l'IBM Quantum Data Center di Poughkeepsie: un violino suona un assolo, poi il computer risponde con un riff generato quantisticamente.

Reck ha eseguito per la prima volta il brano "Qubism" con la London Sinfonietta l'anno scorso. Nella registrazione qui sotto, che appare nell'edizione in vinile dell'album, si può sentire l'assolo di violino che inizia a 4:15, e la risposta basata sugli output del computer da 4:33 a 5:23.

Ascolta "Qubism" qui.

Miranda è un pioniere nel campo della musica generata dall'AI per diversi decenni. L'abbiamo incontrato per saperne di più su cosa lo ha spinto a studiare il quantum computing per il suo ultimo album e dove vede l'AI e la musica proiettarsi nel futuro.

Lavoro con l'AI dalla fine del 1980. Nel 1994 ho presentato una tesi di dottorato alla University of Edinburgh sull'uso dell'AI per il sound design e la musica. Credo sia stata la prima tesi su questo argomento nel Regno Unito.

Dobbiamo però tenere presente che l'AI è software, e il software dell'AI ha bisogno di hardware per funzionare. Mi ha sempre affascinato il fatto che l'AI funzioni ancora su un tipo di computer descritto per la prima volta da John von Neumann negli anni '40, denominato "architettura di von Neumann". Questo è ciò che, negli ambienti del calcolo quantistico, la gente chiama "computer classici".

Fin dall'inizio della mia carriera, ho fatto ricerca su tipi alternativi di computer per sviluppare l'AI. La mia teoria preferita è che nuovi tipi di architetture di computing possano permettersi nuovi approcci all'AI.

Durante i miei studi di dottorato, mi sono sentito ispirato a studiare la cosiddetta "architettura Harvard", che evitava il collo di bottiglia della Von Neumann causato dal recupero dei dati e delle istruzioni dalla stessa memoria. Inoltre, ho avuto il privilegio di poter lavorare con computer paralleli con multiprocessori a memoria condivisa e distribuita presso l'Edinburgh Parallel Computing Centre [ora chiamato EPCC]. Nel 1995 ho composto un brano di musica elettronica intitolato "Olivine Trees" utilizzando un Cray T3D, il più grande supercomputer d’Europa del tempo.

Ovviamente, il quantum computing era sul mio radar da un po' di tempo. Ma all'inizio era tutto teorico e difficile da comprendere. Spesso sentivo che i fisici avevano un modo diverso di parlare dell'elaborazione delle informazioni rispetto agli informatici. E fino a tempi relativamente recenti non esistevano veri e propri quantum computer disponibili. Ho saputo di IBM® Quantum Experience [ora conosciuta come IBM® Quantum Platform] solo alla fine del 2016, che permetteva a chiunque avesse una connessione internet di accedere a un processore quantistico a 5 qubit. Così, all'inizio del 2017, ho iniziato a concentrarmi sulla ricerca sull'AI e sui sistemi procedurali di generazione musicale con quantum computing, e sulla composizione musicale con questi strumenti. Il resto è storia!

Per Qubism ho sviluppato due approcci per comporre con il calcolo quantistico. Uno utilizza automi cellulari quantistici partizionati, o PQCA, per la generazione procedurale. PQCA è un mezzo per implementare automi cellulari (sistemi di calcolo astratti che si aggiornano in modo iterativo in base a una regola) sui quantum computer. Ho sviluppato metodi per convertire i campioni dei cicli PQCA in strutture musicali, come aggregati di note, melodie, ritmi e così via. Ciò che è interessante del PQCA è che i campioni misurati costituiscono schemi coerenti che si evolvono nel tempo. Questi modelli hanno prodotto strutture musicali in evoluzione che assomigliano a una forma musicale nota come "variazioni su un tema". Le variazioni su un tema musicale si riferiscono a una tecnica compositiva in cui un compositore prende un tema o melodia specifica e lo modifica in vari modi. Johann Sebastian Bach, ad esempio, è noto per essere un genio nell'improvvisare variazioni su una determinata melodia.

Ma ciò che è ancora più interessante è che ho generato musica eseguendo un PQCA con 120 qubit su un IBM Quantum Eagle. Direi che Qubism non sarebbe stato possibile senza un quantum computer.

L'altro metodo utilizzava il quantum computing per il machine learning. In momenti specifici durante le prestazioni, il quantum computer "ascoltava" il violino e produceva delle risposte. [I miei collaboratori ed io] abbiamo sviluppato un sistema per estrarre le regole di sequenziamento dalla musica in input. Il sistema codifica le regole in circuiti quastici. I circuiti ordinano a un quantum computer di generare funzioni d'onda con ampiezze che codificano la stocasticità musicale. In altre parole, codificano le probabilità che certe note seguano altre in una melodia. Una misurazione definisce quale nota segue un'altra.

Per generare le risposte, un laptop sul palco registrava il violino, realizzava i circuiti quantum e li trasmetteva al computer quantum sul cloud per l'elaborazione. Poi, dopo qualche secondo, le misurazioni venivano recuperate dal cloud e le rispettive risposte musicali venivano sintetizzate.

Ciò che è entusiasmante è che sono stati necessari solo 5 qubit e poche righe di codice Qiskit affinché il software codificasse le regole di sequenziamento musicale. Se avessi usato il machine learning standard su un computer classico, avrei sicuramente avuto bisogno di reti neurali artificiali a elevatissimo consumo di calcolo per fare lo stesso lavoro.

Non è cambiato troppo. Il mio processo compositivo comprende diverse fasi. Da un lato c'è la fase di programmazione informatica, per così dire, e dall'altro c'è la resa musicale creativa dei materiali generati da un computer. Quest'ultimo è quello che mi diverte di più, perché è il momento in cui trasformo i dati generati dal computer in musica vera e propria. La comunità della tecnologia musicale spesso si riferisce a questa pratica con il termine "mappatura", ovvero la mappatura di dati astratti, o rappresentazioni, in musica.

Detto questo, quando lavoro con i quantum computer, ho sicuramente bisogno di un cambio di mentalità perché sto cercando di capire come sfruttare queste macchine per generare materiali compositi.

Sono privilegiato, nel senso che ho una lunga esperienza nella programmazione informatica. Mi piace scrivere codice. Tuttavia, so che per molti musicisti non è così. Quindi, la mia missione è facilitare l'accesso al quantum computing per i musicisti. Recentemente ho collaborato con Moth, una nuova azienda di tecnologia di quantum computing, per sviluppare strumenti software intuitivi per i settori creativi, concentrandomi sulla musica.

Il lavoro di Iannis Xenakis è stato molto influente nei miei anni formativi. Avevo già una laurea in informatica quando sono tornato all'università per studiare musica in modo più formale. Il suo manuale Formalized Music mi ha insegnato come utilizzare il mio background in informatica per comporre musica. Questo libro delinea i suoi approcci innovativi alla composizione musicale, esplora la teoria delle categorie, i processi stocastici, la logica formale e i modelli geometrici per creare musica. Direi che la comprensione del lavoro di Xenakis è un prerequisito per esplorare il potenziale del quantum per la musica.

Altri compositori che mi hanno ispirato e che hanno lavorato con i computer durante i miei anni di formazione sono stati Jean-Claude Risset, John Chowning, Laurie Spiegel e Brian Eno. Ma è stato il gruppo Kraftwerk a farmi appassionare alla musica elettronica. Hanno integrato la tecnologia, tra cui sequencer e suoni generati dal computer, per creare il loro caratteristico stile di musica elettronica, che trovo ancora oggi affascinante.