Giai điệu lượng tử (Kỳ 1)
Sự kết hợp âm nhạc và vật lý lượng tử có thể tạo ra những giai điệu lý thú, độc nhất vô nhị, gọi là giai điệu lượng tử [1].
Vào những năm 70 của thế kỷ trước, các nhạc sĩ tiên phong như Kraftwerk và Brian Eno bắt đầu thử nghiệm nhạc cụ điện tử và kỹ thuật số vận hành thông qua bàn phím để phát ra nhiều loại âm thanh bằng cách tạo và kết hợp các tín hiệu có tần số khác nhau. Họ được coi là tiên phong và chỉ giới hạn biểu diễn trong phạm vi một lớp khán giả thích hợp. Tuy nhiên, không mất nhiều thời gian để âm nhạc điện tử bùng nổ về mức độ phổ biến và âm nhạc do máy tính tạo ra đã tràn ngập khắp nơi với nhiều thể loại và phong cách khác nhau. Hiện nay, việc sản xuất âm nhạc nhờ máy tính lượng tử được xem như một xu hướng mới trong giai đoạn sơ khai của nó.
Vị khách đầu tiên là Philip Ball, một tác giả viết về khoa học, người gần đây đã tham dự một buổi biểu diễn âm nhạc ngẫu hứng tại Viện Goethe ở London. Ball giải thích tại sao giao diện giữa cơ học lượng tử và âm nhạc lại thú vị, từ cả quan điểm khoa học và nghệ thuật. Ở phần sau của buổi biểu diễn có sự tham gia của Maria Mannone, một nhà vật lý lý thuyết làm việc trong lĩnh vực thông tin lượng tử tại Đại học Palermo ở Ý, đồng thời cũng là một nhà soạn nhạc.
“Tôi bị mê hoặc bởi ham muốn được biết loại âm nhạc do máy tính lượng tử tạo ra sẽ biểu hiện như thế nào. Thật khó để đưa ra phán quyết, bởi vì bạn không thể biết bao nhiêu phần trăm trong số những quyết định đó từ con người và bao nhiêu phần trăm từ loại trí tuệ thông minh khác đó” (nhạc sĩ Brian Eno)
Tính toán lượng tử là tiềm năng cho một bước nhảy vọt về công nghệ nói chung. Trong kỷ nguyên của tính toán lượng tử, cần xem xét về những cách mà sự phát triển công nghệ có thể tác động và phá vỡ ngành công nghiệp âm nhạc. Âm nhạc lượng tử hiện là một lĩnh vực đang thu hút những mối quan tâm đặc biệt. Thật vậy, tại Viện Goethe của Anh đã diễn ra một sự kiện nhằm đánh dấu sự ra mắt một cuốn sách mới do Eduardo Reck Miranda, một nhà khoa học máy tính người Brazil, biên tập với nhan đề Âm nhạc máy tính lượng tử (“Quantum computer music”). Đây được cho là cuốn sách đầu tiên về chủ đề này do NXB Springer xuất bản năm 2022. Trong cuốn sách này, Miranda đã giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của tính toán lượng tử cho các nhạc sĩ cùng với những phát triển mới nhất đã đạt được bởi các học viên tiên phong. Trong khi đó, Bob Coecke, một nhà vật lý làm việc tại công ty tính toán lượng tử “Quantinuum” có trụ sở tại Oxford (Anh), cùng với Miranda và một nhà vật lý lý thuyết người Ý tên là Carlo Rovelli đang lên kế hoạch cho sự kết hợp đặc biệt “Nghệ thuật – Khoa học lượng tử” sẽ diễn ra ở Oxford trong năm nay. Mannone thì thảo luận về một số thí nghiệm của bà trong việc đưa các khái niệm khoa học vào âm thanh. Bà cũng thực hiện một số giai điệu lượng tử trong buổi biểu diễn âm nhạc nói trên tại Viện Goethe ở London, được gọi là buổi trình diễn “Các âm thanh qubit” (Sounding Qubits) [2].
Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra một kiểu âm nhạc hoàn toàn mới lạ [3]. Máy tính và công nghệ kỹ thuật số là tâm điểm của ngành công nghiệp âm nhạc hiện đại – nhưng máy tính lượng tử có thể mang lại điều gì cho làng âm nhạc? Philip Ball đã bắt nhịp được với trào lưu này và hợp tác với một ban nhạc tiên phong gồm các nhạc sĩ và các nhà khoa học đang khám phá cách tính toán lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra và điều khiển âm nhạc.
Viện Goethe ở Anh, đối diện với Đại học Hoàng gia ở London, không phải là nơi có thể mong đợi bắt gặp các loại nghệ thuật tiên phong tiên tiến. Với mặt tiền Tân cổ điển và lịch sử lâu dài về các lớp học tiếng Đức, địa điểm này dường như không phù hợp để tổ chức một sự kiện bao gồm các nhạc sĩ như Peter Gabriel và Brian Eno, cùng với một số nhà vật lý lượng tử. Nhưng những âm thanh phát ra từ giảng đường của Viện Goethe vào tháng 12/2022 khác xa với hình ảnh truyền thống: các tiếng bíp và những nhịp đập hoang dã giống với nhạc nền của một bộ phim thử nghiệm dưới lòng đất. Thực ra, đó là những âm thanh được tạo ra bởi tính toán lượng tử. 150 khán giả có mặt để trải nghiệm một buổi biểu diễn âm nhạc ngẫu hứng của nhà soạn nhạc và nhà khoa học máy tính Miranda, hiện đang làm việc tại Đại học Plymouth, Anh. Trong buổi biểu diễn có đoạn Miranda và hai đồng nghiệp (mỗi người sử dụng một máy tính xách tay của riêng họ được kết nối với một máy tính lượng tử qua Internet) điều khiển – thông qua cử chỉ tay – trạng thái của một bit lượng tử (qubit). Khi trạng thái của qubit được đo, kết quả đo xác định các đặc điểm của âm thanh sẽ được tạo ra bởi các bộ tổng hợp ở London. Các âm thanh phát ra nghe có vẻ kỳ bí, nhưng điều này đã thực sự xảy ra.
Trong tính toán lượng tử, thông tin được mã hóa trong trạng thái chồng chập của các qubit (các qubit có thể rối lượng tử với nhau). Sự thuần túy lượng tử này cho phép máy tính lượng tử thực hiện một số phép tính hiệu quả hơn rất nhiều so với khả năng có thể của các máy tính thông thường (còn gọi là các máy tính cổ điển). Mặc dù máy tính lượng tử vẫn còn ở dạng nguyên mẫu và hầu hết chỉ hoạt động dưới những điều kiện nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm của những gã khổng lồ về công nghệ như IBM và Google, nhưng các nhà soạn nhạc như Miranda rất muốn khám phá những gì công nghệ mới đó có thể mang lại cho họ. Miranda nói: “Tôi muốn phát triển những cỗ máy giúp tôi sáng tạo và thách thức cách làm việc thông thường của tôi”. Miranda tin rằng tính toán lượng tử thúc đẩy một cách suy nghĩ khác hẳn về các sự việc nói chung và về âm nhạc nói riêng. Đó cũng là quan điểm của Coecke “Nếu bạn thay đổi cách mà bạn vẫn nhìn mọi thứ cũng như ngôn ngữ mà bạn đang sử dụng, thì trong bạn sẽ nảy ra những ý tưởng hoàn toàn mới”.
Bản thân âm nhạc phần lớn có cơ sở thuật toán và toán học, được phản ánh bởi tính đối xứng rõ ràng trong các tác phẩm của các nhà soạn nhạc Baroque như Johann Sebastian Bach.
Nhạc sĩ Brian Eno, trong phỏng vấn sau buổi biểu diễn ở Viện Goethe, nói: “Tôi bị mê hoặc bởi sự ham muốn được biết loại âm nhạc do máy tính lượng tử tạo ra sẽ biểu hiện như thế nào. Thật khó để đưa ra phán quyết, bởi vì bạn không thể biết con người đưa ra bao nhiêu phần trăm trong số những quyết định đó và bao nhiêu phần trăm là đến từ loại trí tuệ thông minh khác đó”.
Một sự hợp tác tự nhiên
Ý tưởng sử dụng các thuật toán trong âm nhạc, kiểu như dùng các thuật toán cho máy tính, đã có từ những năm 1840, khi nhà toán học Ada Lovelace lần đầu tiên suy đoán về việc sử dụng Máy phân tích của Charles Babbage – một loại thiết bị tính toán theo phong cách khoa học viễn tưởng được làm từ các dãy bánh răng và trục cam phức tạp bằng đồng thau – để “sáng tác những tác phẩm âm nhạc công phu và có tính khoa học ở bất kỳ mức độ phức tạp hoặc phạm vi rộng lớn nào”. Theo một cách nào đó, đây là một mối quan hệ hợp tác tự nhiên, vì bản thân âm nhạc phần lớn có cơ sở thuật toán và toán học, được phản ánh qua tính đối xứng rõ ràng trong các tác phẩm của các nhà soạn nhạc Baroque như Johann Sebastian Bach.
Việc sử dụng tính xác suất trong tự động hóa quá trình sáng tác đã trở nên phổ biến, thậm chí còn xảy ra sớm hơn trong trò chơi xúc xắc âm nhạc (Musikalisches Würfelspiel) từ thế kỷ XVIII, theo đó các đoạn nhạc nhỏ được ghép lại bằng cách tung xúc xắc. Một sáng tác được cho là do Mozart viết vào năm 1787 có thể xem là một ví dụ về thể loại này. Nó sẽ được những người biểu diễn tung xúc xắc nhiều lần, với con số nhận được ở mỗi lần tung xúc xắc ứng với một đoạn nhạc cụ thể đã viết sẵn. Kết quả của việc sáng tác kiểu “tung xúc xắc” như này sẽ gồm các đoạn nhạc được kết hợp với nhau một cách ngẫu nhiên và âm nhạc phát ra ở mỗi màn trình diễn là hoàn toàn khác biệt (có thể nghe “Mozart: Trò chơi xúc xắc âm nhạc” [4]). Chính yếu tố ngẫu nhiên đã thu hút các nhà soạn nhạc hiện đại đến với máy tính trong những ngày đầu của các máy kỹ thuật số. Trong những năm 1950 và 1960, nhà soạn nhạc John Cage là nhân vật trung tâm của một nhóm nhạc sĩ yêu thích công nghệ ở New York, trong đó có Yoko Ono và nhà soạn nhạc quá cố người Nhật Toshi Ichiyanagi. Được trưng bày tại Bảo tàng Nghệ thuật Hiện đại ở New York, bản nhạc của Cage giống như một tác phẩm nghệ thuật thực sự – nó nên được diễn giải thế nào là tùy thuộc vào người biểu diễn. Cage cũng là một trong số vài nghệ sĩ tham gia vào nhóm Thử nghiệm Nghệ thuật và Công nghệ, bao gồm cả các kỹ sư từ Phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey, nơi Cage thường lui tới để lấy ý tưởng. Cage giải thích rằng, bằng cách tận dụng cơ hội, anh ấy hy vọng tránh được cái bẫy lặp lại chính mình trong các sáng tác mới.
“Hiện thời, chúng tôi đang làm âm nhạc lượng tử theo một cách rất đơn sơ vì các máy tính lượng tử còn đang ở giai đoạn rất sơ khai và bị hạn chế về nhiều mặt.” (nhà vật lý Bob Coecke)
Trong những năm 1960 và 1970, nhà soạn nhạc người Pháp gốc Hy Lạp Lannis Xenakis – học trò của nhà soạn nhạc người Pháp Olivier Messiaen – đã kết hợp máy tính, thuật toán và nhiều quy trình ngẫu nhiên khác nhau vào phương pháp sáng tác của mình. Trong khi đó, Viện Nghiên cứu và Phối hợp âm học (L’Institut de recherche et coordination acoustique) có trụ sở tại Paris, do nhà soạn nhạc Pierre Boulez thành lập, đã trở thành một trung tâm âm nhạc tiên phong vào những năm 1970 nơi máy tính, bộ tạo tín hiệu, băng từ và các tài nguyên điện tử khác được sử dụng rộng rãi. Công nghệ thông tin kỹ thuật số hiện là công nghệ chính để sản xuất và tái tạo âm nhạc chính thống. Một số thuật toán và phần cứng xử lý tín hiệu phổ biến trong âm nhạc và video ngày nay đã được phát triển tại Bell Labs – và thật khó để hình dung một ngành công nghiệp âm nhạc hiện đại mà không có công nghệ kỹ thuật số. Trước sự việc tất yếu là máy tính lượng tử đã và đang phát triển mạnh mẽ trong hai thập kỷ vừa qua từ một đề xuất lý thuyết thành các cỗ máy thực thụ, các nhạc sĩ đang tò mò về những gì các thiết bị lượng tử có thể làm cho họ.
Một cuộc cách mạng lượng tử
Các tài nguyên hiện có để thực hiện tính toán lượng tử còn khá hạn chế, vì vậy Miranda chỉ có thể sử dụng thiết bị Lượng tử bảy qubit của IBM, được làm mát bằng phương pháp đông lạnh. Thiết bị này đặt ở New York và được truy cập thông qua công nghệ đám mây. Miranda thừa nhận rằng cho đến nay, không có gì trong các thuật toán lượng tử mà Miranda đã sử dụng để tạo ra các tác phẩm của mình là không thể mô phỏng bằng máy tính cổ điển. Coecke cho biết thêm: “Hiện thời, chúng tôi đang làm âm nhạc lượng tử theo một cách rất đơn sơ vì các máy tính lượng tử còn đang ở giai đoạn rất sơ khai và bị hạn chế về nhiều mặt”.
Tuy nhiên, như Miranda giải thích, một số thuật toán đang phát triển đòi hỏi nhiều nguồn tài nguyên và các tính toán diễn ra rất chậm trên các thiết bị cổ điển. Đồng thời các tính toán rất khó triển khai trực tiếp theo thời gian thực trong một buổi hòa nhạc. Nhưng tốc độ tính toán không thực sự là vấn đề chính khi sử dụng vật lý lượng tử để soạn nhạc. Hiện tại, sức hấp dẫn lớn của các thuật toán lượng tử chính là thiết kế được nguồn tạo ra các ngẫu nhiên thực thụ trong các lựa chọn âm nhạc.
Trong khi các máy tính cổ điển chỉ cung cấp được một loại các ngẫu nhiên giả (pseudo-randomness) thì các thiết bị lượng tử cho ra các ngẫu nhiên thực sự (genuine randomness) vì đó là kết quả của phép đo lượng tử – phép đó mà kết quả của nó không thể dự đoán trước được một cách chính xác
Giống như một số nhạc phẩm được làm dựa trên máy tính trước đây, các thông số cụ thể của một bản nhạc, chẳng hạn như cao độ hoặc thời lượng của từng nốt nhạc, có thể được lựa chọn bằng máy một cách ngẫu nhiên. Nhưng trong khi các máy tính cổ điển chỉ cung cấp được một loại các ngẫu nhiên giả (pseudo-randomness) thì các thiết bị lượng tử cho ra các ngẫu nhiên thực sự (genuine randomness) vì đó là kết quả của phép đo lượng tử – phép đo mà kết quả của nó không thể dự đoán trước được một cách chính xác. Có thể nói, không phải các nhạc sĩ mà là vũ trụ đưa ra các lựa chọn. Hơn thế, điều này có thể được thực hiện theo thời gian thực trong một buổi biểu diễn trực tiếp. Miranda tưởng tượng một nhà soạn nhạc gán một thuật toán cụ thể cho một bản nhạc, sau đó bản nhạc này sẽ được phát ra bởi một máy tính lượng tử trong buổi biểu diễn. Nói cách khác, máy tính lượng tử có thể đặt ở một nơi xa so với nơi biểu diễn, giống như tại sự kiện ở London, nhưng chỉ cần gửi kết quả đo của nó tới một bộ tạo âm thanh cổ điển chẳng hạn. Miranda nói: “Bạn thiết lập các điều kiện, nhưng bạn không hoàn toàn chắc chắn là nó sẽ tạo ra âm thanh gì cho đến khi bản nhạc được trình diễn. Màn trình diễn sẽ là duy nhất tại thời điểm cụ thể đó”.
Sự kiện diễn ra ở Viện Goethe đã chỉ ra những cách khác mà âm nhạc lượng tử có thể hoạt động. Có một lần, nghệ sĩ vĩ cầm người Anh tên là Craig Stratton đã chơi một giai điệu ngắn hoàn toàn ngẫu hứng. Cao độ và thời lượng của mỗi nốt nhạc được biểu diễn dưới dạng các trạng thái lượng tử. Sau đó các trạng thái lượng tử này được viễn chuyển đến máy tính lượng tử của IBM ở New York. Ở đó, máy tính đã xử lý các trạng thái lượng tử để tạo thành một phản hồi được coi như một quá trình “nhạc hóa lại” và được chơi lại ở London ngay sau đó bằng một bộ tổng hợp âm thanh (trong trường hợp này âm thanh của saxophone đã được sử dụng). Các thuật toán trí tuệ nhân tạo học sâu (Deep-learning AI algorithms) cho sáng tác âm nhạc kiểu ứng biến “gọi và phản hồi” (“call-and-response”) như vậy đã được phát minh.
Nhưng theo Miranda, những thuật toán đó có xu hướng chỉ tạo ra những đoạn nhạc chế mà chúng đã được huấn luyện. Ngược lại, máy tính lượng tử có thể hành xử “giống như một đối tác hơn là một kẻ bắt chước”. Thật vậy, những phản hồi du dương do máy tính lượng tử tạo ra đối với những giai điệu ngẫu hứng của nghệ sĩ vĩ cầm Craig Stratton nghe có vẻ rất khác, ít giống với những giai điệu nguyên bản: chỉ vọng lại một vài âm thanh trêu ngươi của khúc nhạc ban đầu. Stratton, người thấy quá trình làm nhạc như trên thật hấp dẫn, tin rằng máy tính lượng tử chắc chắn có một vị trí trong sự phát triển của âm nhạc. “Chúng ta sẽ trưởng thành và phát triển như thế nào nếu không khám phá ra những con đường khác?” Stratton tự hỏi.□ (Còn tiếp)
—————————-
Tài liệu tham khảo
1 https://physicsworld.com/a/quantum-melodies-the-intersection-of-music-and-quantum-physics/?Campaign+Owner=&utm_campaign=14290-55176&utm_content=Title%3A%20Quantum%20melodies%3A%20the%20intersection%20of%20music%20and%20quantum%20physics%20-%20explore%20more&utm_term=&utm_medium=email&utm_source=iop
2 https://www.goethe.de/prj/lqs/en/eve/sou.html
3 https://physicsworld.com/a/can-we-use-quantum-computers-to-make-music/
4 https://www.youtube.com/watch?v=fs7wpfIKFxk
