Claude Shannon: Nhà phát minh bị lãng quên của thời đại kỹ thuật số

Mỗi khi chúng ta gửi email, trò chuyện qua mạng, nói chuyện điện thoại, lướt web hoặc xem các bộ phim truyền hình trực tuyến, chúng ta đều dựa trên sáng kiến ​​của Claude Shannon. Tuy nhiên, sau khi đặt nền móng cho kỹ thuật số hóa và tất cả các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại của chúng ta, ông đã biến mất khỏi ánh đèn sân khấu khoa học. Chỉ trong những năm gần đây, công lao to lớn của ông với tư cách là người tạo ra “lý thuyết thông tin” mới được công nhận. Ông là một nhà toán học, kỹ sư, nhà phát minh tài ba – người có sức sáng tạo không giới hạn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết kế mạch kỹ thuật số, di truyền học, phân tích mật mã và trí thông minh nhân tạo (AI).

Shannon (1916–2001) sinh ra tại Gaylord, một thị trấn nhỏ ở bang Michigan (Mỹ). Ngay từ lúc nhỏ, ông đã đạt thành tích cao trong môn toán và có niềm đam mê đối với các đồ vật cơ khí và điện. Ông chuyên sửa những chiếc radio hỏng cho các hộ gia đình ở xung quanh. Đến tuổi thiếu niên, ông ngưỡng mộ nhà phát minh thiên tài Thomas Edison. Ông đã chế tạo một chiếc thuyền điều khiển từ xa và thậm chí cả một máy điện báo để liên lạc bằng mã morse với người bạn Rodney Hutchins sống cách ông khoảng 800m.

Sau khi tốt nghiệp chuyên ngành kỹ sư điện và toán học tại Đại học Michigan, Shannon bắt đầu sự nghiệp nghiên cứu của mình ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nơi Vannevar Bush [người đề xuất ý tưởng về một hệ thống là tiền thân của Internet] đã trở thành cố vấn của ông. Tại MIT, Shannon đã làm việc trên một số máy tính đời đầu, bao gồm chiếc máy tính cơ học tiên tiến nhất vào lúc đó – máy phân tích vi phân.

Trong luận văn thạc sĩ tại MIT vào năm 1938, Shannon đã tiếp tục phát triển ý tưởng của George Boole, mở đường cho việc thiết kế các mạch kỹ thuật số. Cụ thể, ông đã áp dụng một môn toán gọi là đại số Boolean để biểu diễn mối quan hệ giữa các giá trị logic và số dưới dạng mạch điện tử. Công trình xuất sắc này đã thu hút nhiều sự chú ý của cộng đồng khoa học thời bấy giờ và sau này được mô tả là một trong những luận văn quan trọng nhất lịch sử, theo Herman Goldstine, tác giả của cuốn sách “The Computer from Pascal to Von Neumann” (Máy tính từ Pascal đến Von Neumann) được xuất bản vào năm 1972.

Năm 1940, cố vấn Bush gợi ý rằng Shannon nên phát triển một công thức toán học về di truyền học Mendel, và Shannon đã hoàn thiện công thức này trong luận án tiến sĩ của mình tại MIT với tựa đề “An Algebra for Theoretical Genetics” (Đại số cho Di truyền học Lý thuyết).

Sau khi nhận bằng tiến sĩ, Shannon công tác tại Viện Nghiên cứu Cao cấp thuộc Đại học Princeton, nơi ông trở thành đồng nghiệp của John von Neumann, Hermann Weyl và gặp gỡ không thường xuyên với các nhà bác học nổi tiếng như Albert Einstein và Kurt Gödel. Môi trường học thuật tuyệt vời tại Princeton cho phép Shannon tự do nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác nhau, và điều này đã giúp ông hình thành ý tưởng ban đầu cho “lý thuyết thông tin” của mình. Tuy nhiên, sự phát triển của lý thuyết thông tin đã bị gián đoạn bởi một sự kiện bất khả kháng: Chiến tranh Thế giới Thứ hai bùng nổ.

Ngay lập tức, Chính phủ Mỹ và nhiều trung tâm nghiên cứu tư nhân đã tuyển dụng các nhà khoa học giỏi nhất để tham gia nhiệm vụ quốc phòng, bảo vệ đất nước. Shannon bắt đầu làm việc tại phòng thí nghiệm Bell Labs, với nhiệm vụ đầu tiên là phát triển hệ thống điều khiển hỏa lực. Sau đó, ông tiếp tục nghiên cứu về mã hóa mật mã và bảo mật viễn thông. Trong thời gian này, ông từng đến gặp trực tiếp Alan Turing ở Washington vào đầu năm 1943. Cả hai đã chia sẻ những ý tưởng của họ về máy tính hiện đại và phát triển một mối quan hệ thân tình.

Khi chiến tranh kết thúc, Shannon cuối cùng đã có một khoảng thời gian yên tĩnh để tổng hợp lại tất cả những kiến ​​thức mà ông đã tích lũy trong thập kỷ trước đó vào tác phẩm mang tính đột phá “A Mathematical Theory of Communication” (Lý thuyết Toán học của Truyền thông), gọi tắt là “lý thuyết thông tin”. Bài báo này được công bố trên tạp chí Bell System Technical Journal vào năm 1948, khi đó Shannon chỉ mới 32 tuổi.

Trong bài báo, Shannon đã xây dựng một loạt các định luật toán học liên quan đến việc đo lường và biểu diễn thông tin, cũng như điều chỉnh việc truyền và xử lý thông tin đó. Ông cũng quan tâm đến khả năng của các hệ thống truyền thông mà thông tin truyền qua.

Shannon cho rằng tỷ lệ giữa tín hiệu mà chúng ta cố gắng gửi đi và tín hiệu nhiễu là không đổi. Điều này khiến cho cách tiếp cận cổ điển để chống nhiễu (gửi thông điệp và tín hiệu lặp lại nhiều lần hoặc khuếch đại tín hiệu gửi) trở nên lỗi thời. Chúng ta không thể loại bỏ nhiễu khi truyền tín hiệu qua một kênh thông tin, nhưng chúng ta có thể điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải bằng cách sử dụng các phương pháp khác như mã hóa và giải mã tín hiệu. Bằng cách này, thông tin ban đầu sẽ được khôi phục một cách đáng tin cậy.

Bài báo của Shannon đã tạo nên cơ sở cho hầu hết các hệ thống truyền thông hiện đại ngày nay, bao gồm cơ chế sửa lỗi và nén thông tin. Shannon đưa ra khái niệm về entropy thông tin và góp phần phổ biến thuật ngữ bit – một từ ghép của “binary digit” (chữ số nhị phân) do John Tukey đề xuất vào năm 1947. Một bit chỉ có thể nhận một trong hai giá trị là 1 hoặc 0. Shannon cũng là người đầu tiên đề xuất rằng tất cả thông tin – dù là ngôn ngữ viết, ngôn ngữ nói, hình ảnh hay video – đều có thể được số hóa, tức là chuyển đổi thành bit.

Trong những năm tiếp theo, Shannon đã có những đóng góp quan trọng cho lĩnh vực trí thông minh nhân tạo. Vào thời điểm máy tính là những cỗ máy khổng lồ với khả năng tính toán hạn chế, ông dự đoán rằng chúng có thể được lập trình để chơi cờ vua và cuối cùng đánh bại con người.

Trong bài báo đăng trên tạp chí Philosophical Magazine vào năm 1950, Shannon đã ước tính số lượng các tình huống khác nhau có thể xảy ra trong trò chơi cờ vua và thu được kết quả là 10^120, một con số lớn hơn số lượng nguyên tử trong vũ trụ khả kiến. Ông cho rằng việc sử dụng thuật toán vét cạn không mang lại hiệu quả. Vì vậy, ông đã đề xuất một thuật toán sử dụng trí thông minh nhân tạo để phân tích các nước đi tốt nhất trong mỗi tình huống, tương tự như cách mà con người chơi cờ. Chỉ một năm sau, ông lại khiến mọi người ngạc nhiên khi tạo ra Theseus, một con chuột máy có khả năng giải quyết mê cung và tự mình tìm thấy miếng pho mát.

Năm 1954, tạp chí Fortune đã liệt kê Shannon vào danh sách 20 nhà khoa học quan trọng nhất của nước Mỹ, cùng với những người đoạt giải Nobel sau này như Richard Feynman và James Watson.

Trong những năm cuối đời, Shannon lựa chọn tránh xa sự chú ý của giới truyền thông nên danh tiếng của ông dần bị lãng quên. Tuy nhiên, ông vẫn miệt mài sáng tạo và sử dụng trí tưởng tượng không giới hạn của mình để chế tạo một số lượng lớn các thiết bị tự chế tại nhà, bao gồm một chiếc kèn phun lửa, đĩa bay Frisbee được trang bị động cơ tên lửa để tăng tốc, và một người máy có khả năng tung hứng ba quả bóng.

Theo bbvaopenmind