Claude Shannon: cha đẻ của lý thuyết thông tin

(PCWorldVN) Với trí tuệ được so sánh như Einstein, lý thuyết thông tin của Shannon được ứng dụng từ những năm 1950, đặt nền tảng cho khoa học máy tính hiện đại ngày nay.

• Google & điểm nhấn tương lai
• Jonathan Ive: người đứng sau thành công của Apple
• Cisco System - Kết nối không biên giới
• Những phụ nữ dưới 35 tuổi đang thay đổi thế giới công nghệ cao
• YouTube & Hành trình tỷ đô

Cuộc đời và thành tựu
Trong căn biệt thự vùng ngoại ô Boston, nơi mà Shannon và vợ đã sống hơn 30 năm, có một căn phòng trưng bày những giải thưởng ghi nhận những đóng góp của ông đối với khoa học trên toàn cầu. Điểm qua một số giải thưởng thành tựu đáng chú ý như Huân chương Khoa học Quốc gia mà ông nhận được trong năm 1966, hay giải thưởng Kyoto vốn được xem là giải Nobel của Nhật Bản, hoặc  Huy chương danh dự IEEE… Robert W. Lucky, giám đốc điều hành của AT&T Bell Laboratories đánh giá Claude Shannon là một trong những người vĩ đại nhất của lịch sử công nghệ, trong khi đó Rolf W. Landauer của IBM thì so sánh trí tuệ của ông giống như Einstein với những cái nhìn sâu sắc tiên phong trong lĩnh vực thông tin.

Cuộc đời của Claude Shannon  không chỉ có khoa học, công nghệ. Đặt cùng với những bằng khen, giải thưởng của ông là giấy chứng nhận về khả năng tung hứng, những món đồ mà ông xem là bảo vật như máy chơi cờ tướng, bộ sưu tập dao xếp, gậy pogo và vô số nhạc cụ được sưu tầm hàng chục năm qua. Ngay chính trong căn nhà mình, ông thể hiện những đam mê của mình bằng một sân khấu thu nhỏ với 3 chú hề tung hứng, chuột máy có khả tìm đường ra khỏi mê cung,  và một máy tính được gọi Throbac (Thrifty Roman Numeral Backward Computer) để tính toán bằng số La mã. Những đam mê bên ngoài lĩnh vực thông tin cũng được thể hiện từ thời Claude Shannon còn trẻ khi ông thường đi lại trong đại sảnh của phòng thí nghiệm Bell bằng xe đạp 1 bánh và tung hứng cùng với những quả bóng.

Ông còn có niềm đam mê máy móc khi chế tạo ra chiếc đĩa ném với động cơ tên lửa hay thiết kế máy đọc suy nghĩ. Claude Shannon cho rằng mình đã theo đuổi nhiều đam mê mà không liên quan nhiều đến những sản phẩm có giá trị cho nhân loại. “Tôi đã dành rất nhiều thời gian vào những thứ hoàn toàn vô dụng”, ông cho biết.

Shannon được biết tới từ khi còn là một kỹ sư trẻ tại Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1948 với bài viết Lý thuyết toán học của truyền thông đăng trên tờ báo chuyên ngành trong Bell System Technical Journal. Trong chủ đề của lý thuyết thông tin này, ông đã đề xuất một mô hình tuyến tính giản đồ dành cho hệ thống truyền thông. Đây là ý tưởng hoàn toàn mới vào thời kỳ đó khi Shannon muốn có một giao tiếp bằng sóng điện từ thông qua các sợi dây cáp. Bản chất của ý tưởng này cho phép tuyền tải hình ảnh, chữ, âm thanh … bằng cách chuyển nội dung thành thành các đoạn mã nhị phân rồi truyền qua cáp nối.

Chủ đề này nghe rất bình thường  trong kỷ nguyên số, nhưng thời điểm đó Shannon đã làm những việc mà trên thực tế chưa một ai từng nghĩ đến kể từ sau thời kỳ Phục Hưng. Một mình ông đã phát minh ra môn khoa học mới rất quan trọng.

Câu chuyện tuổi thơ và niềm đam mê
Niềm đam mê của Shannon trong lĩnh vực toán học và chế tạo thiết bị được hình thành từ khi còn nhỏ. Shannon lớn lên tại Gaylord - Michigan, Mỹ, gần với nơi mà ông được sinh ra vào năm 1916. Shannon được chơi với bộ máy phát sóng radio và bộ công cụ lắp ráp của bố mình từ khi còn nhỏ. Ông cũng đam mê giải toán cùng với em gái Catherine, người sau này cũng trở thành một giáo sư toán học. “Tôi đã luôn thích thú với mật mã và những thứ liên quan đến nó”, Shannon cho biết. Một trong những quyển sách được yêu thích của ông là “The Gold Bug”, câu chuyện kể về người hùng giải mã một bản đồ bí ẩn để tìm kiếm kho báu.

Khi trở thành sinh viên của Đại học Michigan, Shannon đồng thời học cả 2 chuyên ngành là toán và kỹ thuật điện. Đây cũng chính là 2 lĩnh vực mang đến thành công cho Shannon, nhất là vào thời điểm ông theo học cao học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Những khái niệm logic đơn giản như TRUE (Đúng) hay FALSE (Sai) và các quan hệ logic như AND, OR, NOT, IF đã được Shannon đưa vào một mạch điện và ông đã công bố ý tưởng này vào năm 1937. Đây là nghiên cứu đầu tiên của ông và được đánh giá là một trong những ý tưởng quan trọng nhất mọi thời đại.

Luận án thạc sĩ của Shannon nhằm đưa các phép toán logic trong công trình toán học "Đại số Boole" của nhà toán học George Boole ứng dụng trong thiết bị chuyển mạch và chuyển tiếp của mạch điện tử. Nội dung luận án mang đến nhận thức mới về hệ thống thông tin khi cho phép chúng ta thiết kế, đánh giá bằng các công thức toán học trước khi xây dựng các giải pháp mạch. Các kỹ sư thời nay thường thường xuyên thiết kế phần cứng máy tính và phần mềm, mạng điện thoại, và các hệ thống phức tạp khác với sự trợ giúp của đại số Boolean. Nhiều người coi đây là luận án cao học quan trọng bậc nhất cho ngành viễn thông sau này.

“Eureka”
Shannon đã gia nhập phòng thí nghiệm Bell vào năm 1941 và ở lại đó làm việc trong 15 năm. Trong Thế chiến II, ông là một thành viên của một nhóm phát triển hệ thống mã hóa kỹ thuật số được thủ tướng Anh, Churchill và tổng thống Mỹ, Roosevelt sử dụng trong các cuộc hội đàm vượt đại dương.

Từ công việc này, khái niệm về lý thuyết về thông tin của ông đã được hình thành. Sharon nhận ra rằng, kỹ thuật mã hóa có thể bảo vệ thông tin từ con mắt tò mò, khỏi sự phá hoạt hay can thiệp của nhiều hình thức khác. Các đoạn mã cũng có thể đóng gói thông tin hiệu quả hơn và thực hiện truyền đi trên một kênh nhất định.

Và đối ông, "Eureka!" là một quá trình.
Định nghĩa về thông tin nêu trong trong báo cáo năm 1948 của Shannon rất quan trọng đối với lý thuyết về truyền thông.  Ông cũng từng bước vượt qua những khó khăn do chính bản thân mình đặt ra. Shannon đã từng cho rằng lý thuyết của mình  “không thể và không dự định đi đến cùng”. Cùng với thời gian, Shannon đã chứng minh được thông tin là mặt hàng đo lường được. Lượng thông tin lấy ra từ tin nhắn được xác định bởi xác suất tất cả các tin nhắn có thể được gửi.

Shannon định nghĩa đơn vị cơ bản của thông tin là những đơn vị nhị phân quen thuộc là 0 và 1. Ông mô tả cách thức những số nhị phân này có thể được biểu diễn trong các mạch điện với mức điện cao biểu diễn “1” và mức điện thấp là “0”. Từ đó có thể mã hóa và truyền tải được từ ngữ, hình ảnh, âm thanh hay bất kỳ dạng thông tin nào khác.

Lý thuyết thông tin của Shannon là một môn khoa học trừu tượng về sự giao tiếp qua máy tính, mạng Internet và tất cả các phương tiện truyền thông kỹ thuật số khác. Lý thuyết này được xây dựng trên nền tảng toán học và chỉ ra rằng bất kỳ kênh thông tin liên lạc nào cũng có thể đạt được công suất tối đa trong việc truyền tải thông qua mã hóa thông minh. Nhưng trên thực tế, Shannon đã cho thấy rằng con người không bao giờ đạt được công suất tối đa này, và đây được biết đến như là giới hạn Shannon.

Bài viết năm 1948 của Shannon chỉ ra làm thế nào để tính toán giới hạn nhưng cuối cùng ông cũng không thể tiếp cận. Đây cũng chính là thách thức của ông dành cho thế hệ sau. Có 3 bước để đạt được công suất tối đa, đầu tiên là loại bỏ dư thừa từ các tin nhắn, tiếp theo đó là mã sửa lỗi nhằm đảm bảo các thông điệp không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng Và cuối cùng là bộ giải mã đầu cuối có thể nhận diện bất kì dữ liệu nào được thay đổi trong quá trình truyền tín hiệu.

Trong thực tế, ý tưởng của Shannon được những người xung quanh phòng thí nghiệm cho rằng đó là một giả thuyết thú vị nhưng không hữu ích. Edgar Gilbert, người đã làm việc cùng với Shannon tại Bell Labs vào năm 1948 cho biết rằng đèn điện tử chân không để thực hiện điều khiển dòng điện tích trong các bộ khuếch đại không thể xử lý các mã phức tạp cần thiết nhằm tiếp cận giới hạn Shannon. Bài viết này thậm chí còn nhận được lời bình tiêu cực từ J. L. Doob, một nhà toán học nổi tiếng tại Đại học Illinois. Lý giải cho điều này, các chuyên gia hiện nay cho biết rằng điều kiện khoa học thời điểm đó đều không cho phép lý thuyết thông tin của Shannon có thể tạo ra các ứng dụng.

Mãi cho đến năm 1970, với sự ra đời mạch tích hợp tốc độ cao đã cho phép các kỹ sư khai thác lý thuyết thông tin. Trong suốt những thập niên sau đó, hiếm có năm nào trôi qua mà không bị ảnh hưởng bởi “xu hướng” kỹ thuật số, điều này khiến tầm ảnh hưởng của Claude Shannon trở nên rộng hơn bao giờ hết. Máy thu thanh bán dẫn, mạch tích hợp, máy tính trung tâm, hệ thống liên lạc vệ tinh, máy tính cá nhân, sợi quang, truyền hình HD, điện thoại di động, thực tế ảo, chuỗi DNA… Về chi tiết thì Shannon hầu như không đóng có góp gì vào việc tạo nên những phát minh này. Nhưng nếu nói trên một phạm vi rộng hơn thì toàn bộ thế giới điện tử hữu tuyến và vô tuyến đều kế thừa những thành tựu của Shannon.

Cuộc cách mạng kỹ thuật số đã đưa “bit” và “byte” – những đơn vị đo lường khó hiểu trong lĩnh vực điện tử của Shannon – trở nên quen thuộc và phổ biến hơn với mọi người.

Claude Shannon cùng với con chuột máy của mình có khả tìm đường ra khỏi mê cung 

Lý thuyết thông tin và trí tuệ nhân tạo
Lý thuyết thông tin đã được chào đón và ghi nhận của các nhà khoa học từ rất nhiều lĩnh vực. Ngữ học, tâm lý học, kinh tế học, sinh học, thậm chí cả âm nhạc và nghệ thuật tìm cách áp dụng lý thuyết thông tin vào lĩnh vực của họ. John R. Pierce, một giáo sư danh dự tại Đại học Stanford,  đã so sánh "ứng dụng rộng rãi" của lý thuyết thông tin có tầm ảnh hưởng giống như 2 ý tưởng vĩ đại khác trong ngành khoa học, đó là nguyên lý bất định của Heisenberg và thuyết tương đối của Einstein.

Shannon đã gợi ý việc áp dụng lý thuyết thông tin với các hệ thống sinh học và ông cho rằng điều này không quá xa vời. “Các hệ thống thần kinh là một hệ thống truyền thông phức tạp, và nó cũng xử lý thông tin theo những cách phức tạp”, ông nói. Khi được hỏi liệu ông có nghĩ rằng máy tính có thể "suy nghĩ", ông trả lời: "Tôi là một máy, bạn là một máy và cả hai chúng ta đang suy nghĩ”.

Công việc của Shannon về lý thuyết thông tin và tình yêu với các thiết bị đã sớm đưa ông đến với niềm đam mê máy thông minh. Shannon là một trong những nhà khoa học đầu tiên đề xuất rằng một máy tính có thể cạnh tranh với con người trong cờ vua. Trong năm 1950, ông đã viết một bài báo trên tờ tạp chí khoa học Scientific American  về cách thức mà máy có thể đánh cờ cùng với con người. Nhưng ông không hạn chế trong việc đánh cờ mà còn mở rộng nghiên cứu của mình bằng một cỗ máy "đọc ý nghĩ" có thể phán đoán được những hành động tiếp theo của con người trong trò chơi. Cũng từ đó, đồng nghiệp của ông tại phòng thí nghiệm Bell là David W. Hagelbarger đã thiết kế ra một nguyên mẫu máy tính có khả năng ghi lại sự lựa chọn của đối thủ thông qua phân tích, tìm kiếm các lựa chọn tiếp theo…

Năm 1950, Shannon tạo ra một con chuột cơ khí có thể học làm thế nào để tìm cách thoát ra khỏi mê cung với đoạn dây đồng mà không cần sự trợ giúp. Shannont đặt tên cho con chuột là Theseus, vị anh hùng Hy Lạp thần thoại đã giết Minotaur và tìm thấy con đường để thoát khỏi mê cung. Trên thực tế, "bộ não" của con chuột chứa một hệ thống cồng kềnh gồm mạch đèn chân không được đặt dưới sàn của mê cung; các mạch điều khiển sự chuyển động thông qua nam châm để kiểm soát con chuột.

Khi được hỏi về triển vọng của trí tuệ nhân tạo, Shannon lưu ý rằng máy tính hiện nay mặc dù có sức mạnh phi thường nhưng vẫn  "không đạt đến tầm con người" về xử lý thông tin thô. Đơn giản chỉ cần sao chép cách thu thập hình ảnh của mắt người trên máy tính thôi vẫn còn là một nhiệm vụ ghê gớm. Nhưng ông cũng nói thêm rằng “chỉ vài thập kỷ nữa thôi là máy tính có thể vượt lên trên con người”.

Thuyết tung hứng
Năm 1956, Shannon rời Bell Labs  để trở thành giáo sư chuyên ngành khoa học viễn thông và toán học tại Viện công nghệ Massachusetts (Massachusttes Institute of Technology – MIT). Trong thời gian này, nỗi ám ảnh lớn của ông là trò tung hứng thường thấy trong các rạp xiếc.
Ông đã thiết kế một số máy tung hứng và nghĩ ra lý thuyết tung hứng: Nếu B là số lượng bóng, H số tay, D là thời gian mỗi bóng trong một bàn tay, F thời điểm bay của mỗi quả bóng, và E lần mỗi tay là trống, sau đó Shannon đã có công thức B/H = (D + F)/(D + E). Thật không may, lý thuyết này không thể giúp Shannon tung hứng hơn 4 quả bóng cùng một lúc. Và Shannon cho rằng lý thất bại ở đây là do bàn tay của ông quá nhỏ.

Không dừng lại ở những bộ môn khoa học, Shannon cũng đã phát triển mô hình toán học khác nhau để dự đoán hiệu suất chứng khoán và ông đã thử nghiệm thành công bằng sự đầu tư của mình. Nhưng trên tất cả, Shannon đã thay đổi từ khi đến MIT, ông vẫn là một nhà nghiên cứu nhưng không còn chú tâm quá nhiều đến ngành thông tin mà mình từng theo đuổi.

Trên thực tế, Shannon chỉ làm việc cho MIT trong thời gian rất ngắn, nhiệm vụ của ông là đưa ra chuỗi bài giảng nghiên cứu về những lĩnh vực mà chẳng ai biết về chúng. Công việc này đòi hỏi rất khắt khe về thời gian khiến trung bình mỗi tuần ông phải hoàn thành một bài nghiên cứu. Vì thế, chỉ sau một vài kỳ, Shannon đã cho MIT biết rằng ông không muốn tiếp tục giảng dạy ở Viện nữa.

Trong những năm 1960 Shannon cũng ngưng tham dự các cuộc họp dành riêng cho lĩnh vực mình đã tạo ra. Năm 1973, mọi người đã thuyết phục được Shannon quay trở lại với các bài giảng tại Hội nghị Thông tin Lý thuyết quốc tế nhưng ông gần như muốn từ bỏ vào phút cuối. Đối với đám đông này, ông được coi như nhân vật thần thánh nhưng dường như bản thân Shannon lại e ngại với tiếng tăm của mình. Cuối cùng ông cũng đã hoàn thành việc tham gia hội nghị với bài phát biểu đầy cảm hứng về tính phổ quát của thông tin phản hồi và tự tham chiếu trong tự nhiên. Cũng từ đó, được sự khuyến khích của vợ mình, Shannon cũng bắt đầu tham gia các hoạt động khoa học từ nói chuyện tại các cuộc hội thảo nhỏ chay tham quan các phòng thí nghiệm...

Năm 1985 ông đã xuất hiện bất ngờ tại Hội nghị Thông tin Lý thuyết quốc tế ở Brighton, Anh. Hội nghị này được tiến hành suôn sẻ cho đến khi tin tức tràn vào hội trường và mọi phòng họp rằng người đàn ông tuyết tóc với nụ cười nhút nhát đã lang thang trong và ngoài của hội nghị không ai khác hơn Claude Shannon. Một số những người tại hội nghị đã thậm chí không biết rằng ông vẫn còn sống. Shannon đã phát biểu một vài phút ở đây và kết thúc bằng màn tung hứng với 3 quả bóng. Robert J. McEliece, giáo sư kỹ thuật điện tại Viện Công nghệ California và là chủ tịch của hội nghị đã nói rằng” “Việc Claude Shannon xuất hiện tại đây giống như Newton xuất hiện tại một hội nghị vật lý”.

PC WORLD VN, 06/2016