В эпоху становления квантовой информатики особенно важно вспомнить пионера, заложившего основы всей классической теории информации. Этим человеком был Клод Элвуд Шеннон, чьи работы около 75 лет назад дали начало новой научной дисциплине и, по сути, создали фундамент для современного цифрового мира.
Рождение классической информатики
Классическая теория информации зародилась в середине XX века, и её отцом по праву считается один-единственный гений — Клод Шеннон. В своей знаковой статье 1948 года, написанной в знаменитых Bell Labs, Шеннон впервые дал строгое математическое определение информации и сформулировал принципы её передачи по зашумлённым каналам связи. Его гениальная идея заключалась в том, чтобы объединить под одной теоретической крышей казалось бы разные технологии: телеграф, телефон, радио и телевидение. Он показал, что в основе всех этих способов коммуникации лежат общие законы.
Клод Шеннон (1916–2001) — американский инженер, криптоаналитик и математик, которого часто называют «отцом информационного века». Он не просто создал теорию информации, а предоставил весь набор фундаментальных понятий, идей и их математических формулировок. Эти концепции, такие как «бит» (наименьшая единица информации, термин был введён именно Шенноном) и «энтропия» (заимствованная из термодинамики мера неопределённости или информационной ёмкости), сегодня являются краеугольным камнем всех современных коммуникационных и вычислительных технологий.
Путь гения: от радиолюбителя до Bell Labs
Интерес к технике проявился у Шеннона ещё в детстве, проведённом в Мичигане: он мастерил модели самолётов и собирал радиоприёмники. Позже, учась в Мичиганском университете на электротехника и математика, он откликнулся на объявление о работе с аналоговым компьютером — дифференциальным анализатором Вэнивара Буша в MIT. Именно там Шеннона заворожили не механические части машины, а электромагнитные реле — переключатели, которые щёлкали, замыкая и размыкая цепи. Это наблюдение стало семенем будущего открытия.
«Летом 1937 года Шеннон взял отпуск в МТИ и поступил на работу в Bell Labs — научно-исследовательский центр, находящийся в ведении компании AT&T... Это место идеально подходило для превращения идей в изобретения: абстрактные теории сталкивались там с практическими проблемами... Это сделало Bell Labs примером организации, где были созданы условия, способствующие появлению инноваций цифровой эры... Когда разрозненные практики и теоретики оказывались вместе, они учились находить общий язык, с помощью которого можно было обмениваться идеями и информацией». — Уолтер Айзексон, «Инноваторы»
В Bell Labs Шеннон погрузился в мир телефонных коммутаторов, где электрические переключатели маршрутизировали вызовы. И здесь его осенило: эти физические схемы удивительным образом соответствовали абстрактной логической системе, разработанной в XIX веке английским математиком Джорджем Булем.
Джордж Буль (1815–1864) совершил революцию в логике, представив её в виде алгебры. Он присвоил истинным утверждениям значение 1, а ложным — 0. Таким образом, сложные логические операции, такие как «И», «ИЛИ», «НЕ», можно было записывать и преобразовывать как алгебраические уравнения.
Обратите внимание: Как страусы Эму Австралийскую армию победили. Война Эму- самая странная война 20 века..
Гениальный синтез: логика Буля и электрические цепи
Шеннон совершил концептуальный прорыв, осознав, что электрические цепи с двухпозиционными переключателями («включено»/«выключено») могут выполнять операции булевой алгебры. Например, операция «И» реализуется последовательным соединением переключателей: ток идёт только если оба включены. Операция «ИЛИ» требует параллельного соединения: ток идёт, если включён хотя бы один. Более сложные комбинации таких переключателей, называемые логическими вентилями (или затворами), могли бы выполнять целые последовательности логических операций.
Реле, электронные лампы, а позже транзисторы — все они могли выступать в роли таких переключателей. Логический вентиль «И» открывается (дает на выходе «1»), только если на всех его входах «1». Вентиль «ИЛИ» открывается, если «1» есть хотя бы на одном входе. Эта простая, но мощная идея легла в основу всего цифрового проектирования.
«Самая важная магистерская диссертация XX века»
Свои идеи 22-летний Шеннон изложил в магистерской диссертации по электротехнике MIT под названием «Символический анализ релейных и переключательных схем». Многие историки науки, включая Говарда Гарднера из Гарварда, называют эту работу, возможно, самой важной магистерской диссертацией столетия.
В этой работе Шеннон продемонстрировал, как абстрактная алгебра логики Джорджа Буля может быть воплощена в «железе» — с помощью электронных схем из реле и переключателей. Это и есть самая фундаментальная особенность всех цифровых компьютеров: представление «истины» и «лжи», «0» и «1» в виде состояний переключателей и использование логических вентилей для принятия решений и выполнения вычислений. Сегодня булева алгебра — это повседневный инструмент инженеров, проектирующих компьютерные чипы, программы и системы связи. Цифровые схемы — основа современной вычислительной техники, и в этом непреходящая заслуга Шеннона.
От схем к теории информации
После MIT Шеннон вернулся в Bell Labs, где занимался криптографией (в том числе обеспечивая безопасную связь для переговоров Черчилля и Рузвельта) и развивал свои идеи. Работа над шифрами, по его собственным словам, подтолкнула его к созданию теории информации. Он задался вопросом: как эффективно передавать сообщения по каналам с помехами (шумом)? Ответ оказался не в усилении сигнала, а в умной «упаковке» информации.
Количественная оценка информации
Шеннон отвлёкся от смысла сообщений и сосредоточился на их количественной мере. Он показал, что количество информации в сообщении зависит от вероятности его появления среди всех возможных. Чем менее вероятно сообщение, тем больше информации оно несёт. Меру общей неопределённости или информационного потенциала системы он, по аналогии с физикой, назвал «энтропией».
Основной единицей измерения информации стал бит — выбор одного из двух равновероятных вариантов: «да»/«нет», 1/0, наличие/отсутствие тока. На этом математическом фундаменте Шеннон доказал существование предельной пропускной способности для любого канала связи (так называемый «предел Шеннона»). Можно сколь угодно близко подойти к этому пределу с помощью clever-кодирования, но превзойти его невозможно.
Все эти революционные идеи были изложены в его монументальной статье 1948 года «Математическая теория связи», которая навсегда изменила наш мир, заложив основы эпохи цифровых коммуникаций, сжатия данных и современных вычислений.
Спасибо за внимание!
Еще по теме здесь: История.
Источник: Самая важная диссертация хх века. Клод э. Шеннон: основатель теории информации.