计算机和数字技术是现代音乐产业的核心，但量子计算机能给这场盛宴带来什么呢?Philip Ball收听了一支由音乐家和科学家组成的前卫乐队的节目，他们正在探索如何使用量子计算来制作和操纵音乐。

位于伦敦帝国理工学院对面的歌德学院并不是那种你期望能遇到前沿前卫艺术的地方。因其新古典主义的外观和提供德语课程的历史，它似乎不太适合举办包括Peter Gabriel和Brian Eno等音乐家以及许多量子物理学家在内的活动。但去年 12 月从它的演讲厅传出的声音却相当出人意料：嗡嗡声、哔哔声和狂野节拍的爆发更像是一部实验性地下电影的配乐。

事实上，这是量子计算发出的声音。

大约 150 人参加了此次活动，他们聆听了巴西作曲家和计算机科学家Eduardo Reck Miranda编排的即兴音乐表演，Miranda目前在英国普利茅斯大学工作。在影片中，Miranda和两位同事各自用自己的笔记本电脑通过互联网连接到一台量子计算机上，通过手势来控制量子比特的状态。当测量量子比特的状态时，结果决定了伦敦合成器产生的声音的特征。

这听起来是很奇怪事情。

在量子计算中，信息被编码为纠缠量子比特的叠加态，这使得一些计算的执行效率远高于经典机器。尽管这些设备的原型仍局限于IBM和谷歌等科技巨头的实验室，但像Miranda这样的作曲家热衷于发现新技术可以为他们提供什么。“我想开发能够帮助我发挥创造力并挑战我正常做事方式的机器，”他说。

视频链接：https://youtu.be/wL0RlYIl-QM

Miranda 认为，量子计算“促进了一种不同的思维方式，反过来这将导致对音乐产生不同的思维方式。” Miranda的另一位合作者Bob Coecke也持同样观点，他是牛津量子计算公司Quantinuum的物理学家。“如果你改变看待事物的方式和使用的语言，你就会产生全新的想法，”Coecke 说。

量子音乐目前绝对是一个小众领域，但它正在吸引一些备受瞩目的兴趣。事实上，举办歌德学院活动是为了纪念Miranda 编辑的新书《量子计算机音乐》的发行，这本书声称是第一本关于该主题的书（Springer，2022 年）。与此同时，Coecke 计划今年在牛津与 Miranda 和意大利理论家Carlo Rovelli进行量子艺术/科学混搭。

“我很想知道(这种音乐)是如何运作的，”Eno在歌德学院的演出结束后接受歌德学院采访时说。“我很难做出判断，因为你不知道这些决定中有多少是人类做出的，有多少是由那种不同的智能做出的。”

天然的伙伴关系

在音乐中使用类计算机算法的想法可以追溯到 1840 年代，当时科学家兼数学家Ada Lovelace首次推测使用 Charles Babbage 的分析机（一种由错综复杂的黄铜齿轮阵列制成的蒸汽朋克计算设备）来“创作精心制作的音乐和任何复杂程度或范围的科学音乐作品”。在某些方面，这是一种天然的伙伴关系，因为许多音乐本身都有算法和数学基础，这反映在Johann Sebastian Bach等巴洛克作曲家的作品中。

在18 世纪的Musikalisches Würfelspiel （音乐骰子游戏）中，“自动”作曲中机会和概率的使用甚至更早流行，其中使用掷骰子组合成小段音乐。一首据称由莫扎特于 1787 年创作的作品可能就是这种类型的一个例子。它可能是由莫扎特多次掷一对骰子来演奏的，每次掷出的数字对应于特定的预先编写的音乐片段。结果是一个随机拼接在一起的组合，在每次表演中都不一样，您可以在bit.ly/3HivOLk上收听。

正是这种随机性元素在数字机器的早期吸引了现代主义作曲家使用计算机。在 1950 年代和 1960 年代，约翰·凯奇 (John Cage)是一群热爱科技的纽约音乐家的中心人物，其中包括小野洋子 ( Yoko Ono)和已故日本作曲家一柳俊 ( Toshi Ichiyanagi )，后者在 1960 年为梅西·坎宁安 (Merce Cunningham) 创作的模棱两可的配乐IBM的灵感来自穿孔卡片的早期计算机。在纽约现代艺术博物馆展出的他的乐谱既是一件真正的音乐作品，又是一件艺术品，应该如何诠释它取决于表演者。

Cage也是参与艺术和技术实验集体的几位艺术家之一，其中包括来自新泽西州贝尔实验室的工程师，Cage会在那里闲逛以获取想法。他解释说，他希望利用偶然机会，他希望避免在作品中重复自己的话。

在 1960 年代和 70 年代，法国作曲家奥利维尔·梅西安 ( Olivier Messiaen )的学生希腊裔法国作曲家伊恩尼斯·谢纳基斯 (Iannis Xenakis ) 将计算机、算法和各种随机过程融入了他的作曲方法。与此同时，由作曲家皮埃尔·布列兹(Pierre Boulez)创办的位于巴黎的IRCAM研究所(IRCAM institute)在20世纪70年代成为前卫音乐的中心，广泛利用计算机、信号发生器、磁带和其他电子资源。

数字信息技术现在是主流音乐制作和再现的核心。今天在音乐和视频中无处不在的一些信号处理算法和硬件是在贝尔实验室开发的，很难想象没有这种数字技术的现代音乐产业。那么，随着量子计算机在过去 20 年中从理论提议演变成真正的机器，音乐家们会好奇这些设备能为他们做什么。

一场量子革命

然而，公开可用的量子计算资源相对有限，因此 Miranda 只能使用位于纽约的七量子位、低温冷却的IBM Quantum设备，并通过云访问。Miranda承认，到目前为止，在他用来制作作品的量子算法中，没有什么是不能用经典计算机模拟的。“目前我们正在以一种非常幼稚的方式制作量子音乐，因为机器是有限的，”Coecke 补充道。

不过，正如 Miranda 解释的那样，他正在开发的一些算法在传统设备上的计算成本已经很高，而且速度很慢，而且很难在音乐会上实时实施。但是，在使用量子物理学创作音乐时，计算速度并不是真正的主要问题。相反，量子算法的巨大吸引力在于作为音乐选择中随机性的来源。

与一些早期的基于计算机的音乐一样，乐谱的特定参数，例如音符的音高或持续时间，可以分配给机器做出的随机选择。但是，尽管经典计算机仅提供一种算法生成的伪随机性，但量子设备可以获得量子测量结果中涉及的真正随机性。你可能会说，是宇宙做出了选择。更重要的是，这可以实时完成。

Miranada想象一位作曲家将特定算法分配给一段音乐，然后在表演期间通过量子计算机播放。换句话说，量子计算机可以是远程的，就像在伦敦的活动中一样，但只是将其测量结果发送回，比如说，一个经典的音调发生器。Miranada 说：“你设置了条件，但在表演之前，你并不完全确定它会产生什么。”“在那个特定的时刻，表演将是独一无二的。”

歌德学院的活动展示了量子音乐可能发挥作用的其他方式。在一首曲子中，英国小提琴家Craig Stratton即兴创作了一首短曲。每个音符的音高和持续时间都被表示为量子状态，然后被发送到位于纽约的 IBM 计算机。在那里，该设备处理状态以制定一个响应，该响应被“重新音乐化”并在片刻之后通过音调合成器（在那种情况下使用萨克斯管声音）在伦敦播放。

这种音乐“呼喊-回应”即兴表演的深度学习人工智能算法已经设计出来。但根据 Miranda 的说法，这些算法往往只会产生他们所训练的音乐的简单拼贴。相比之下，量子计算机的行为可能“更像是合作伙伴而不是模仿者”。事实上，计算机生成的对斯特拉顿即兴创作的旋律反应听起来一点也不像激发它们的刺激，只保留了最初声音的一些诱人回声。

Stratton发现这个过程很有趣，他相信量子计算机在音乐发展中肯定有一席之地。“如果我们不探索其他途径，我们如何成长和发展?他问道。

布洛赫头

在另一篇文章中，Miranda 和他在普利茅斯的同事Pete Thomas和Paulo Itaborai使用各种计算机界面来操纵“Bloch 球体”。这些球体以诺贝尔奖获得者物理学家Felix Bloch的名字命名，是描述两能级量子系统矢量分量的几何图形（表面上的点是纯态，内部的点是混合态）。在伦敦的活动中，Miranda 和 Itaborai 戴着运动感应环和手套，通过手势将控制信号传输到笔记本电脑，而 Thomas 则使用了一个旋钮面板。

这些信号被馈送到 IBM 量子计算机上远程运行的量子电路，音乐家在其中旋转布洛赫球体的方向（其视觉表示被投影到表演者身后的屏幕上）。在某些时候，表演者可以选择“测量”他们的量子比特，从而将其“坍缩”成一个确定但从根本上不可预测的输出状态。

然后，这个状态的值被用来确定分配给每个表演者的三个声音合成器所产生的声音的参数。Miranda说：“产生的声音总是令人惊讶，”“在我们进行测量之前，我们不知道它会是什么。” 然后，三位表演者用他们随后的手部动作对他们听到的声音做出反应，使每个音乐家和他们的乐器之间以及彼此之间的合作持续下去。

Miranda将表演称为经过排练的即兴表演。“我们之前练习过几次，并同意我们要做的一些事情，就像爵士乐手所做的一样，”他说。在这种情况下，所有三个量子比特都是独立的，但Miranda热衷于寻找纠缠量子比特的方法，以便每个量子比特都相互依赖——让音乐家们以新的方式相互耦合。

一种新型音乐

意大利巴勒莫大学研究量子信息的理论物理学家、作曲家Maria Mannone说，利用量子计算来制作音乐“就像学习如何演奏一种新的乐器”。“我们必须学会如何演奏我们想要的音乐，但与此同时，新乐器的特定功能会产生限制，并提出特定的想法。”

Miranda怀疑，利用这些可能性的一种方法是让一台量子计算机产生意想不到的音乐片段，这些片段为作曲家的发展提供了思想核心，而不是像目前使用人工智能生成的音乐那样。“我正在努力，”他说，“让机器给我提供我自己不会想出的材料——我可以利用的想法。”

当前该领域扩展的障碍之一是量子力学本身的完全陌生性和技术复杂性。Miranda 的新书《量子计算机音乐》并不是一本为胆小者准备的手册，书中充满了波函数和矩阵代数。音乐家们会被吓到，而理解理论的物理学家和工程师往往对音乐传统知之甚少。

但他希望能够开发出用户友好的界面，从而降低进入门槛，就像一般的计算一样。例如，Miranda 的量子位旋转是由简单的手势控制的，就像演奏特雷门琴(一种电子乐器)的演奏方式一样。

另一种方法由纽约IBM约克镇高地研究中心的量子科学家Jim Weaver率先提出，他开发了量子玩具钢琴。这是一种音乐工具，使用量子计算机以概率方式生成旋律和和声，使用测量量子位状态的固有随机性来分配音符。

视频参考链接：https://youtu.be/E3CMhdUY1hE

Weaver 已经将这些想法发展成量子音乐游乐场，其中用户友好的界面允许用户操纵量子态以创建多乐器组合。“人们可以随意摆弄，直到音乐听起来像他们喜欢的那样，”Weaver 说。“这是布洛赫球体的音乐，”他打趣道，暗指宇宙“天体音乐”的旧概念（太阳、月亮和行星的相对运动是一种音乐形式的想法）。

这个系统实际上是在传统计算机对量子态进行经典模拟的基础上运行的，而不是真正的量子设备。这是因为它需要对量子态有完整的了解——这对于真正的量子比特是不可能做到的，因为测量会使状态崩溃。Weaver 认为该工具既具有教育意义又具有音乐意义，希望它能帮助学生（和音乐家）培养对量子计算算法的直觉。这项工作可能不仅会改变音乐，还会有益于量子科学。

克服技术障碍的另一种选择是让音乐家融入量子研究社区。这就是美国作曲家Spencer Topel所采用的方法，他于 2019 年成为耶鲁大学量子研究所的驻场艺术家，该研究所是Michel Devoret和Robert Schoelkopf等量子技术专家的故乡。在耶鲁大学期间，Topel 创作了一场现场表演，其中的音乐是根据对大多数当前量子计算机中用作量子位的超导量子器件的动力学测量产生的。

视频链接：https://youtu.be/aOVW59VhaNk

音乐家也可以从学习一些量子力学中受益。“作曲家必须知识渊博，”Mannone 指出，“因为任何事物，尤其是科学领域的事物，都可以成为灵感的源泉。” 事实上，所需的知识水平不必如此令人生畏。正如她指出的那样，现在为其他应用程序编写量子代码的一些人“在仅具备量子门和原理的基本知识的情况下完成了出色的工作”。

在她自己的工作中，Mannone 使用量子物理学来分析音乐，例如，通过使用一种为量化开放量子系统的记忆而开发的技术来测量音乐作品中出现的重复和相似性的数量。

如果您想知道自己在哪里可以听到量子音乐，Miranda的目标是通过即将与伦敦小交响乐团合作，在音乐厅进行现场表演。他还预见到这种作曲可能会通过“现场编码”运动渗透到俱乐部等不太正式的环境中，这是一种新的表演艺术，在这种艺术中，类似 DJ 的编码员编写程序以即兴和互动的方式控制视听媒体，也许还可以与舞蹈、诗歌和音乐结合（您可以在bit.ly/3Z8hUDg上收听示例）。

听听所有关于它的信息

为了促进社区的发展，Miranda 于 2021 年 11 月与 IBM Quantum 和 Quantinuum 合作举办了第一届量子计算和音乐创造力国际研讨会。“我们还不知道量子音乐的可能性是什么，”Quantinuum 当时的首席执行官Ilyas Khan在歌德学院的活动中说：“也许随着量子音乐的成熟，它可能与今天的先驱者正在做的事情几乎没有相似之处。” “前两到三年是试验性的，”他说。

Miranda希望有可能用声音表达纠缠和相干性等难以凭直觉直观理解的量子概念。“这就是圣杯，”他说。“我想实现这一目标，但我不知道如何实现。” 但对于 Coecke 来说，这一切都是为了促进向量子思维的转变。“如果你把量子世界里的东西放在一起，突然就会出现一个充满可能性的新宇宙。”

参考链接：https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/