Профессор Григорий Кабатянский: научно-техническая революция нам не грозит
Доктор физико-математических наук Григорий Кабатянский
Минуло столетие со дня рождения «отца цифровой эры» американского учёного Клода Шеннона.
Минуло столетие со дня рождения «отца цифровой эры» американского учёного Клода Шеннона, создавшего теорию информации, без которой не было бы современных систем связи, в том числе и мобильных. Математическая теория криптографии — наука о методах обеспечения конфиденциальности информации и целостности данных — это тоже его заслуга. О достижениях последнего универсального гения XX века и о перспективах технологий века XXI рассказывает доктор физико-математических наук Григорий КАБАТЯНСКИЙ, советник ректора по науке Сколковского института науки и технологий (Сколтех), профессор факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ. Беседу ведёт Ольга Волкова.
— Григорий Анатольевич, история криптографии насчитывает четыре тысячи лет. В чём же гениальность и новизна разработок Клода Шеннона?
— Шеннон превратил криптографию из искусства, которым она была четыре тысячи лет, в науку, поставив её на прочный математический фундамент. При этом, как мне кажется, заниматься наукой ради науки он не хотел и всегда имел в виду какой-то конечный результат. Редчайшее сочетание инженерного и математического ума! Подростком он сделал «беспроводной телеграф», чтобы общаться с другом, который жил в километре от него. Уже создав теорию информации, он изобрёл электромеханическую мышь, которая искала выход из лабиринта. И это был один из первых экспериментов в так популярном сегодня искусственном интеллекте (хотя я предпочитаю говорить «искусственный разум»). В 1961 году, вместе с профессором математики Эдом Торпом, Клод Шеннон создал первый в мире ноутбук. Это не был ноутбук в сегодняшнем смысле слова, но это была специализированная машина для оценки вероятности при игре в карты. Они с Торпом ездили в Лас-Вегас, рассчитывали с помощью своей машинки вероятность выигрыша в рулетку и карты, играли и выигрывали! Интересная история, но Торп на этом не остановился, создал команду, которая ездила по казино, а много позже это вылилось в сценарий довольно популярного американского фильма «Двадцать одно» (2008 год).
— А чем он занимался во время Второй мировой войны?
— Во время войны Шеннон работал на войну: занимался математической криптографией. Я уверен, что именно тогда он и понял, что такое информация и как её измерять. В 1940 году Шеннон защитил диссертацию формально по математике, но, как сказали бы сегодня — диссертацию на стыке наук, мультидисциплинарную. Она называлась «Алгебра для теоретической генетики». Так что он уже имел опыт «внедрения» математики в другие области знания. Но когда в конце 1940-х его основные работы вышли в открытой печати, то американские математики его достижения не признали, посчитав, что там нет строгих доказательств. Зато признали советские. Особенно Андрей Николаевич Колмогоров, один из основоположников современной теории вероятности и, в частности, теории информации. Некоторые выдающиеся результаты Колмогорова 1950—1960-х годов вдохновлены работами Клода Шеннона.
В 1948 году Шеннон опубликовал статью «Математическая теория связи», в которой теория информации появилась сразу как законченная теория. Утром люди прочли статью и поняли: возникла новая наука.
В этой статье слово «код» приобрело два новых и разных смысла. Прежнее, привычное значение слова «код» (или «кодирование») — способ написания сообщения в таком виде, чтобы никто, кроме получателя, не смог его прочитать, то есть кодирование как шифрование информации. Новое значение слова «код» — это такой способ избыточного представления информации, который позволяет исправлять ошибки, возникающие при передаче или хранении информации. Наконец, третье значение — сжатие информации, то есть экономная запись сообщений в некотором алфавите. Старинный пример такого сжатия — азбука Морзе. И Шеннон нашёл ответ на вопрос, насколько мы можем сжимать информацию при условии, что хотим её точно восстановить.
— Работы Клода Шеннона совпали с появлением в мире самых первых компьютеров...
— Да, Шеннон про передачу информации сразу думал как про передачу ноликов и единичек. И первые компьютеры тоже опирались на двоичную систему. Это и было началом цифровой эры. Люди поняли, что можно всё оцифровывать. Более того, стало понятно, что можно передавать информацию совсем не так, как это делали раньше. Шеннон предложил новый способ борьбы с ошибками в канале связи, то есть борьбы с шумом. Раньше были фильтры, которые отфильтровывали шум, ну и, конечно, существовало простое решение — сделать помощнее сигнал. Но когда вы делаете сигнал мощнее, происходит перерасход энергии. И Шеннон предложил ввести избыточность. Люди знают, что когда они говорят или пишут, то их понимают, несмотря на невнятную дикцию или плохой почерк. Потому что в нашем языке уже заложены средства исправления ошибок — некорректного написания, нечёткого произношения. Наш язык очень избыточен. Шеннон показал, как можно эффективно вводить избыточность для языка из 0 и 1 для исправления ошибок. Избыточность — это когда мы в канал передаём не только нужную информацию, но ещё и приписываем «хвостик», тоже состоящий из битов. Принимая все эти биты вместе, мы можем исправить ошибки. Но у каждого канала связи есть пропускная способность, своего рода порог. Шеннон был первым, кто обнаружил пороговые эффекты в дискретной математике. На языке передачи информации это означает: пока вы передаёте информацию со скоростью меньше пропускной способности, вы можете сделать вероятность итоговой ошибки стремящейся к нулю. Но как только вы достигли пропускной способности, перешагнули чуть-чуть — всё. Вы почти всегда будете ошибаться. Такая тонкая грань: превысили скорость передачи информации на сотую долю процента, и всё рухнуло.
— Как эти идеи применяют на практике?
— В Институте проблем передачи информации (ИППИ) РАН можно увидеть фотографии Луны и Венеры. Их сделали в ИКИ РАН с помощью ИППИ РАН. Мы (тогда ещё СССР) послали ракету, она облетела, сделала снимок, но затем фотографии надо было передать на землю, учитывая, что при передаче из космоса будут ошибки, а энергия у передатчика небольшая. Естественно, что надо было фото сжать и при этом не потерять в качестве. Сейчас это умеет любая цифровая «мыльница». Но тогда шёл 1975-й, и тем не менее удалось получить первые фотографии с другой планеты!
Следующее впечатляющее применение идей Шеннона состоялось чуть позже, в 1982-м, когда компании Sony и Phillips выпустили первые компакт-диски (CD). На презентациях кто ножиком, кто ножницами, а кто с помощью джема(!) портили диск, вставляли опять в проигрыватели, и люди не слышали разницы в звучании. Это была фантастика! Конечно, как всегда во всех фокусах, там была некая заготовка. Царапины и прочие дефекты замечательно нейтрализовывались заложенным при записи кодом, который и исправлял ошибки.
Третий большой успех — цифровая фотография. Сегодня мы забыли про плёнки, про пункты проявления-получения фотографий. Всё это было бы невозможно без оцифровки непрерывных данных. В данном случае — пиксели, их всё равно нужно цифровать. Но этого мало, их также надо сжать. А так как фотографии очень избыточны, то их можно сильно сжать и почти не потерять в качестве, так что человеческий глаз не замечает различий.
После цифровой фотографии последовало то, что фотографию — в некотором смысле — убило: смартфоны. Они тоже не могли бы существовать без теории информации и, конечно, без прогресса в микроэлектронике.
Читайте в любое время
