Giai điệu lượng tử (Kỳ 2): Những nốt nhạc qubit
Cuộc trình diễn âm nhạc lượng tử vô tiền khoáng hậu tại Viện Goethe London đã bắt đầu bằng một giai điệu thực, sau đó các nốt nhạc được thể hiện dưới các trạng thái lượng tử và được lựa chọn một cách ngẫu nhiên. Không phải do các nhà soạn nhạc mà là do vũ trụ lựa chọn.
Khối cầu Bloch
Bằng cách đeo một chiếc vòng và găng tay cảm biến với chuyển động của tay, những người biểu diễn có thể “đo” qubit trong một máy tính lượng tử của IBM ở New York. Kết quả (ngẫu nghiên) của phép đo xác định âm thanh sẽ được phát ra bởi ba bộ tổng hợp ở London.
Trong một trường hợp khác, Miranda và hai đồng nghiệp ở Đại học Plymouth là Pete Thomas và Paulo Itaborai đã sử dụng nhiều giao diện máy tính khác nhau để xoay hướng của “các khối cầu Bloch”. Được đặt tên theo nhà vật lý Felix Bloch, người cùng Edward Mills Purcell đoạt giải Nobel năm 1952 cho “sự phát triển theo cách mới và phương pháp mới để đo lường chính xác từ hạt nhân”, những khối cầu này là những mô tả hình học của các thành phần véc tơ của một hệ lượng tử hai mức, với các điểm trên bề mặt là các trạng thái thuần (pure states) còn những điểm bên trong khối cầu là các trạng thái trộn (mixed states). Tại sự kiện ở London, Miranda và Itaborai đeo một chiếc vòng và găng tay cảm biến với chuyển động của tay để truyền tín hiệu điều khiển bằng cử chỉ tay tới một máy tính xách tay, trong khi Thomas sử dụng một bảng điều khiển với các nút bấm. Những tín hiệu này được đưa vào một mạch lượng tử được vận hành từ xa trên máy tính lượng tử của IBM. Việc này cho phép các nhạc sĩ có thể xoay hướng của khối cầu Bloch (biểu diễn trực quan của việc này được chiếu lên màn hình phía sau những người biểu diễn).
Vào những thời điểm nhất định, những người biểu diễn có thể chọn “đo” qubit của họ, điều làm trạng thái của qubit “suy sụp” thành một trạng thái đầu ra xác định, nhưng về cơ bản là không thể đoán trước được trạng thái đầu ra sẽ là trạng thái nào. Trạng thái đầu ra sau đó được sử dụng để xác định các tham số của âm thanh. Âm thanh này được phát ra bởi ba bộ tổng hợp âm thanh trong tay mỗi trong ba người biểu diễn. Miranda nói: “Âm thanh thu được sẽ luôn gây ngạc nhiên. Chúng tôi không biết nó sẽ như thế nào cho đến khi chúng tôi thực hiện phép đo.” Sau đó, ba người biểu diễn phản hồi lại những gì họ nghe được bằng các chuyển động tay của họ.
Miranda muốn tìm cách làm rối các qubit với nhau sao cho trạng thái của mỗi qubit phụ thuộc vào các trạng thái của hai qubit còn lại – điều làm chính bản thân các nhạc sĩ cũng phải kết nối với nhau theo những cách thức mới.
Kết quả là có sự hợp tác liên tục giữa từng nhạc sĩ và nhạc cụ của họ cũng như giữa họ với nhau. Miranda gọi màn trình diễn như thế là một sự ngẫu hứng đã được luyện tập. Miranda nói: “Chúng tôi đã tập luyện trước một vài lần và nhất trí với nhau về một số điều mà chúng tôi sẽ làm, gần giống như những gì những người chơi nhạc jazz làm. Trong trường hợp của chúng tôi, cả ba qubit đều độc lập. Nhưng Miranda rất muốn tìm cách làm rối các qubit với nhau sao cho trạng thái của mỗi qubit phụ thuộc vào các trạng thái của hai qubit còn lại – điều, nói theo nghĩa đen, làm chính bản thân các nhạc sĩ cũng phải kết nối với nhau theo những cách thức mới.
Một loại âm nhạc mới
Maria Mannone, nhà vật lý lý thuyết làm việc về thông tin lượng tử tại Đại học Palermo ở Ý, đồng thời cũng là một nhà soạn nhạc, cho biết làm chủ tính toán lượng tử để tạo ra âm nhạc “giống như học cách chơi một loại nhạc cụ mới. Chúng ta phải học cách chơi bản nhạc mình muốn, nhưng đồng thời, các tính năng cụ thể của nhạc cụ mới có thể gây ra những hạn chế và gợi ý những ý tưởng cụ thể”.
Miranda nghĩ rằng một cách để khai thác các khả năng khả dĩ là để cho một máy tính lượng tử tạo ra những đoạn nhạc bất ngờ. Những đoạn nhạc như thế sẽ cung cấp ý tưởng cốt lõi cho nhà soạn nhạc phát triển, thay vì theo cách mà âm nhạc do trí tuệ nhân tạo tạo ra như hiện nay đang được sử dụng. “Tôi đang thử,” Miranda nói, “để máy cung cấp cho tôi những điều mà tôi không thể tự nghĩ ra được – những điều đó là ý tưởng mà tôi có thể làm việc với nó”.
Hiện nay, một trong những trở ngại đối với việc mở rộng lĩnh vực âm nhạc lượng tử này là sự xa lạ và độ phức tạp về mặt kỹ thuật của chính cơ học lượng tử. Nhắc lại rằng, cuốn sách mới với tiêu đề “Âm nhạc máy tính lượng tử” của Miranda đã nói ở trên, không phải là sách hướng dẫn dành cho những người yếu tim, chứa đầy các hàm sóng và đại số ma trận. Các nhạc sĩ sẽ nản lòng, trong khi các nhà vật lý và kỹ sư tuy hiểu về lý thuyết lượng tử nhưng thường lại có ít kiến thức về truyền thống âm nhạc. Miranda hy vọng rằng các giao diện thân thiện với người dùng sẽ được phát triển để dễ dàng sử dụng hơn và hạ thấp các rào cản kỹ thuật. Ví dụ, có thể cho phép việc quay qubit thông qua việc điều khiển các cử chỉ tay đơn giản.
Một cách tiếp cận mới đang được Jim Weaver, một nhà khoa học lượng tử tại một Trung tâm nghiên cứu của IBM ở New York, phát triển. Weaver là người đã chế ra Đàn piano đồ chơi lượng tử. Đó là một công cụ âm nhạc sử dụng máy tính lượng tử để tạo ra các giai điệu và hòa âm theo xác suất, lợi dụng tính ngẫu nhiên vốn có của kết quả đo trạng thái qubit để gán cho các nốt nhạc. Weaver đã phát triển những ý tưởng như vậy thành “Sân chơi âm nhạc lượng tử”, trong đó giao diện thân thiện với người dùng cho phép người dùng điều khiển các trạng thái lượng tử một cách khá thuận tiện để tạo ra các tác phẩm đa nhạc cụ. Weaver nói: “Mọi người có thể điều chỉnh thoải mái cho đến khi âm nhạc phát ra theo cách họ muốn.” Một cách châm biếm, Weaver nói thêm: “Đó là âm nhạc của các khối cầu Bloch”, ám chỉ khái niệm cũ về “âm nhạc của các thiên thể trong vũ trụ” (ý tưởng cho rằng các chuyển động tương đối của Mặt trời, Mặt trăng và các hành tinh là một dạng âm nhạc). Hệ thống này thực sự vận hành theo một sự mô phỏng cổ điển của các trạng thái lượng tử được thực hiện bởi một máy tính thông thường, chứ không phải là một thiết bị lượng tử thực sự. Điều này là vì thông tin đầy đủ về trạng thái lượng tử bắt buộc phải được biết – điều không thể có đối với một qubit vật lý vì một phép đo sẽ làm sụp đổ trạng thái của qubit theo một cách không thể tiên đoán được. Weaver, người coi công cụ này vừa mang tính sư phạm vừa mang tính âm nhạc, hy vọng nó có thể giúp sinh viên (và nhạc sĩ) phát triển trực giác cho các thuật toán trong tính toán lượng tử. Điều này không chỉ có thể thay đổi âm nhạc mà còn mang lại lợi ích cho khoa học lượng tử.
“Các nhà soạn nhạc phải có kiến thức, bởi vì mọi thứ, đặc biệt là trong khoa học, đều có thể là nguồn cảm hứng cho sáng tạo”. (nhà vật lý lý thuyết Maria Mannone)
Một lựa chọn khác để vượt qua các rào cản kỹ thuật là các nhạc sĩ sẽ hòa mình vào cộng đồng nghiên cứu lượng tử. Đó là cách tiếp cận của nhà soạn nhạc người Mỹ Spencer Topel, người vào năm 2019 là nghệ sĩ lưu trú tại Viện Lượng tử Yale, ngôi nhà của các chuyên gia công nghệ lượng tử như Michel Devoret và Robert Schoelkopf. Trong thời gian lưu trú và làm việc tại Yale, Topel đã tổ chức một buổi biểu diễn trực tiếp với âm nhạc được tạo ra từ các phép đo sự tiến triển của các thiết bị lượng tử siêu dẫn được sử dụng làm qubit trong hầu hết các máy tính lượng tử hiện nay. Các nhạc sĩ cũng có thể hưởng lợi từ việc học một chút về cơ học lượng tử. Theo Mannone, “các nhà soạn nhạc phải có kiến thức, bởi vì mọi thứ, đặc biệt là trong khoa học, đều có thể là nguồn cảm hứng cho sáng tạo”.
Thực tế là mức độ kiến thức cần thiết không cần phải quá sâu. Mannone còn cho biết một số người hiện đang viết mã lượng tử cho các ứng dụng khác. Điều đó thật tuyệt vời trong khi họ chỉ mới có kiến thức cơ bản về các nguyên tắc của cơ học lượng tử. Trong một công trình của mình, Mannone đã sử dụng vật lý lượng tử để phân tích âm nhạc – ví dụ, bằng cách sử dụng một kỹ thuật được phát triển để định lượng bộ nhớ của các hệ lượng tử mở nhằm đo lượng lặp lại và mức độ tương tự xuất hiện trong các tác phẩm âm nhạc5.
Nghe nhạc lượng tử ở đâu
Nếu bạn đang tự hỏi mình là có thể tự nghe nhạc lượng tử ở đâu, thì Miranda đã đặt mục tiêu tổ chức một buổi biểu diễn trực tiếp tại phòng hòa nhạc thông qua sự hợp tác với một dàn nhạc giao hưởng nhỏ ở London. Miranda cũng thấy trước là kiểu sáng tác này sẽ thâm nhập vào các hoạt động ít trang trọng hơn, kiểu như câu lạc bộ, có lẽ thông qua phong trào “viết mã trực tiếp”, một nghệ thuật trình diễn mới trong đó các lập trình viên viết chương trình để điều khiển phương tiện nghe nhìn theo những cách ngẫu hứng và tương tác, có thể kết hợp cùng một lúc với cả khiêu vũ, thơ ca và âm nhạc.
Để kích thích sự phát triển của cộng đồng, vào tháng 11/2021, Miranda đã hợp tác với IBM để tổ chức một Hội nghị chuyên đề quốc tế đầu tiên về Tính toán lượng tử và Sáng tạo âm nhạc. Ilyas Khan, Giám đốc điều hành sáng lập của công ty Quantinuum cho biết: “Chúng tôi chưa biết những khả năng của âm nhạc lượng tử là gì và có thể là khi âm nhạc lượng tử bước vào giai đoạn chín muồi nó sẽ không giống với những gì những người tiên phong ngày nay đang làm. Hai đến ba năm đầu tiên này là những năm thử nghiệm”.
Miranda hy vọng rằng, có thể diễn đạt bằng âm thanh các khái niệm lượng tử như sự rối và sự kết hợp đồng bộ giữa các hệ lượng tử, những khái niệm khó có thể hiểu được một cách trực giác bằng trí tuệ. Miranda nói: “Đó là Chén Thánh. Tôi muốn đạt được điều này nhưng không biết phải làm thế nào”. Còn với Coecke thì tất cả chỉ là xúc tác để chuyển từ tư duy thông thường sang tư duy lượng tử: “Nếu bạn đặt mọi thứ lại với nhau trong thế giới lượng tử, đột nhiên một vũ trụ của các khả năng mới sẽ xuất hiện”. □
——————-
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
[5] M. Mannone. & G. Compagno, Journal of Creative Music Systems 6(1), 2022: “Characterisation of the Degree of Musical Non-Markovianity”, doi: https://doi.org/10.5920/jcms.975
