بیوگرافی کلود شانون، استاد رمزنگاری و پدر نظریه اطلاعات

کلود شانون (Claude Elwood Shannon) ریاضی‌دان و مهندس برق و استاد آمریکایی رمزنگاری بود که به‌عنوان «پدر نظریه‌ی اطلاعات» شناخته می‌شود. او با مقاله‌ی مشهورش به‌‌نام A Mathematical Theory of Communication به‌شهرت رسید و بعدها در حوزه‌های دیگر عصر کامپیوتر، نیز نام خود را ماندگار کرد.

این ریاضی‌دان بزرگ آمریکایی علاوه‌بر فعالیت جدی در توسعه‌ی نظریه‌ی اطلاعات، نظریه‌های دیگری را هم ارائه کرد. نظریه‌ی «طراحی مدار دیجیتال» از یادگارهای مهم او محسوب می‌شود که در ۲۱ سالگی و هنگام تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد دانشگاه MIT آن را مطرح کرد. در دوران جنگ جهانی دوم، شانون بخش مهمی از فعالیت‌هایش را به رمزگشایی برای وزارت دفاع آمریکا اختصاص داد و ارتباط‌های امن در آن دوران، از یادگارهای او محسوب می‌شوند.

تولد و تحصیل

کلود شانون در ۳۰آوریل۱۹۱۶ در پتوسکی میشیگان به‌دنیا آمد؛ اما سال‌های کودکی را در گیلورد همان ایالت گذراند. پدر شانون، کلود سینیور، از نوادگان اولین خانواده‌های مهاجر به نیوجرسی بود و تجارت می‌کرد. مادرش میبل ولف شانون نام داشت و به‌عنوان معلم زبان و مدیر دبیرستان گیلورد مشغول‌به‌کار بود. شانون تا ۱۶ سالگی، در گیلورد بود و در سال ۱۹۳۲، از دبیرستان آن منطقه فارغ‌التحصیل شد. 

علاقه‌مندی به مباحث مکانیک و الکترونیک از سال‌های نوجوانی در کلود ظاهر شد. او در دروس علوم و ریاضیات بهترین نمره‌ها را کسب می‌کرد. در خانه، وی به ساختن وسایل مختلفی هم‌چون مدل هواپیما و قایق کنترلی و سیستم تلگراف تا خانه‌ی دوستش مشغول بود و تلاش برای یادگیری مفاهیم آن‌ها، از علاقه‌مندی‌های همیشگی‌اش محسوب می‌شد. کلود در دوران نوجوانی به‌عنوان پیام‌رسان شرکت وسترن‌یونیون نیز فعالیت می‌کرد.

شانون در سال ۱۹۳۲، وارد دانشگاه میشیگان شد. در همان سال‌های اولیه‌ی دانشگاه، کلود با یافته‌ها و پژوهش‌های جورج بول آشنا شد. در سال ۱۹۳۶، کلود شانون با دو مدرک کارشناسی در رشته‌های برق و ریاضیات فارغ‌التحصیل شد.

دانشگاه MIT مقصد بعدی شانون بود تا مطالعات کارشناسی ارشد در رشته‌ی مهندسی برق را در آنجا ادامه دهد. دستگاه تحلیل دیفرانسیلی ساخته‌ی ونیوار بوش از اولین دستگاه‌های نسبتا کامپیوتری بود که کلود با آن آشنا شد. درواقع، دستگاه بوش امروزه به‌عنوان کامپیوتری آنالوگ در تاریخ شناخته می‌شود. شانون درکنار بررسی دستگاه بوش و مطالعه‌ی مدارهای ad hoc، مدارهای سوئیچینگ را نیز براساس یافته‌های بول برایش طراحی کرد.

مدارهای سوئیچینگ و رله‌های کامپیوتری به زمینه‌ی اصلی مطالعات شانون تبدیل شدند. او در سال‌های بعد، تحقیقات خود را به‌صورت پیشرفته‌تر روی این موضوعات ادامه داد و در سال ۱۹۳۷، برای پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد آماده شد. پایان‌نامه‌ی کلود به‌نام A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits در سال ۱۹۳۸ منتشر شد. شانون در مقاله‌ی حاصل از پایان‌نامه‌اش توضیح داده بود از مدارهای سوئیچینگ می‌توان برای ساده‌سازی ترکیب رله‌های الکترومکانیکی در شبکه‌های تلفن استفاده کرد. درادامه‌ی مقاله، مدارهای مدنظر شانون به‌عنوان راهکاری برای حل مسائل جبر بولی معرفی شدند. در فصل پایانی نیز، دیاگرام‌هایی از مدارهای سوئیچینگ به‌صورت مثال ذکر شدند.

پایه‌گذار عصر دیجیتال

مفاهیمی که کلود شانون در پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد خود توضیح داده بود، تأثیر زیادی بر آینده‌ی الکترونیک و شکل‌گیری مفاهیم دیجیتال گذاشت. درواقع، استفاده از مفاهیم سوئیچ الکتریکی و به‌کارگیری منطق آن‌ها، پایه‌های تمامی کامپیوترهای دیجیتالی و الکترونیکی را شکل داد. فعالیت‌های شانون ستون‌های طراحی مدارهای دیجیتالی را بنا کرد و در سال‌های جنگ جهانی دوم و پس‌ازآن، به شهرتی گسترده در جامعه‌ی مهندسی برق رسید.

شانون تحصیلات خود را در MIT ادامه داد و در سال ۱۹۴۰، مدرک دکتری خود را از این دانشگاه دریافت کرد. ونیوار بوش پیشنهاد داد کلود در آزمایشگاه کلد اسپرینگ هاربر مشغول شود. هدف ونیوار از همکاری با شانون فرمول‌سازی ریاضیاتی در حوزه‌ی ژنتیک بود که درنهایت، موضوع پایان‌نامه‌ی دکتری کلود را نیز تعیین کرد. پایان‌نامه‌ی او به‌نام An Algebra for Theoretical Genetics نوشته شد.

شانون در روزهای اول پیوستن به Bell Labs

پس از اتمام مقطع دکتری در MIT، مؤسسه‌ی تحقیقات پیشرفته‌ی پرینستون میزبان کلود شانون شد. در پرینستون، او فرصت همکاری با بزرگانی همچون هرمان ویل و جان فون‌نیومن را پیدا کرد. در سال‌های فعالیت در پرینستون، کلود چندباری هم به‌صورت اتفاقی با اینشتین و کرت گودل دیدار کرد. از خصوصیات مهم این ریاضی‌دان آمریکایی در سال‌های تحقیق و مطالعه، وابسته‌نبودن به قوانین دست‌وپاگیر بود که در سال‌های بعد، زمینه را برای نظریه‌پردازی بیشتر و تدوین مفاهیم نظریه‌ی اطلاعات فراهم کرد.

جنگ جهانی دوم و رمزنگاری

در سال‌های جنگ جهانی دوم، شانون در آزمایشگاه بل (Bell Labs) مشغول‌به‌کار شد. زمینه‌های فعالیت او سیستم‌های کنترل آتش و رمزنگاری بودند. او در سال ۱۹۴۲، مفهومی به‌نام نمودار گذر سیگنال را معرفی کرد که هنگام تحقیقات روی مفاهیم کامپیوترهای آنالوگ، به آن رسید.

ماشین بی‌کاربرد از اختراعات شانون

تورینگ به رمزنگاری مکالمات زبانی بسیار علاقه‌مند بود؛ به‌همین‌دلیل، ساعاتی را در آزمایشگاه بل سپری می‌کرد. او و شانون در ساعت‌های استراحت باهم دیدار می‌کردند و تورینگ مقاله‌ی سال ۱۹۳۶ خود را در یکی از دیدارها به کلود نشان داد. در آن مقاله، ماشین محاسبه‌ی تورینگ شرح داده شده بود. مقاله‌ی مذکور شانون را جذب کرد؛ چون با بسیاری از ایده‌های خودش هم‌خوانی داشت.

شانون به‌همراه رالف بیب‌بلکمن و هندریک وید با هدف بهینه‌سازی داده در سیستم‌های کنترل آتش، مقاله‌ای به‌رشته‌ی تحریر بود. به‌طور خلاصه در مقاله‌ی مذکور، جداسازی سیگنال‌های بامعنی از نویز در سیستم‌‌های ارتباطی اشاره شده بود. به‌بیانِ‌دیگر، مسئله با مفاهیمی همچون داده و سیگنال و پردازش نوشته شده بود؛ به‌همین‌دلیل، طلوع عصر اطلاعات را رقم زد.

موش مغناطیسی و هزارتو، اولین دستاوردهای هوش مصنوعی شانون

فعالیت‌های شانون در حوزه‌ی رمزنگاری، به آخرین مقاله‌ی او درباره‌ی نظریه‌ی ارتباطات نزدیک بود. در پایان جنگ و در سال ۱۹۴۵، او خلاصه‌ای طبقه‌بندی‌شده برای بخش تلفن آزمایشگاه بل آماده کرد که به‌نام A Mathematical Theory of Cryptography شناخته می‌شد. نسخه‌ی غیرطبقه‌بندی‌شده‌ی مقاله هم در سال ۱۹۴۹ به‌نام Communication Theory of Secrecy Systems در مجله‌ی آزمایشگاه بل منتشر شد. مقاله‌ی مذکور بسیاری از مفهوم‌ها و فرمول‌سازی‌های ریاضی را به‌همراه داشت که در مقاله‌ی نظریه‌ی ارتباطات شانون هم دیده می‌شد. شانون گفته بود فعالیت‌های زمان جنگ در حوزه‌ی ارتباطات و رمزنگاری به‌صورت موازی پیش رفتند و نظریه‌های بعدی در همین فعالیت‌ها شکل گرفت.

نظریه‌ی اطلاعات

در سال ۱۹۴۸، مقاله‌ی مشهور شانون به‌نام A Mathematical Theory of Communication منتشر شد. این مقاله با تمرکز بر یافتن روشی برای کدگذاری اطلاعات فرستنده‌ای فرضی تدوین شده بود. شانون در تحقیقات مرتبط با مقاله از نظریه‌ی «احتمالات نوربرت وینر» استفاده کرد. شانون در مقاله‌‌اش، مفهومی به‌نام انتروپی اطلاعات را مطرح کرد که برای اندازه‌گیری قطعیت‌نداشتن پیام‌ها تدوین شد. همین مفهوم پایه‌های نظریه‌ی اطلاعات را شکل داد. در سال ۱۹۴۹، شانون و رابرت فانو روشی سیستمی برای کدگذاری حروف و کلمات طراحی کردند. این سیستم که به‌نام «روش کدگذاری شانون‌فانو» شناخته می‌شود، اولین‌بار در مقاله‌ی سال ۱۹۴۸ معرفی شده بود.

بعدها، وارن ویور نظریه‌ی اطلاعات شانون را ساده‌ و در کتابی به‌نام همان مقاله منتشر کرد. درواقع، کتاب مذکور حاوی مقاله‌ی شانون و توضیحات ویور برای آسان‌سازی آن است تا غیرمتخصصان نیز مفاهیم مدنظر را درک کنند. وارن ویور در جایی از کتاب می‌گوید اطلاعات در نظریه‌ی ارتباطات، به‌معنای آن چیزی است که می‌توانیم بگوییم، نه‌ آنچه می‌گوییم. باتوجه‌به چنین تعریفی، اطلاعات را می‌توان آزادی فرد در انتخاب مفاهیم و کلمات در زمان ارسال پیام نامید.

در توضیح ساده‌ی نظریه‌ی ارتباطات شانون باید بدانید وی ارتباطات را مجزا از روش و ابزارهای ارتباطی مطالعه می‌کرد. گفتنی است بعدها، این نظریه به نظریه‌ی اطلاعات تغییرنام داد. شانون می‌گفت ارتباط صرف‌نظر از آنکه رادیویی یا تلویزیونی یا تلفنی باشد، باید به‌صورت مفهومی واحد دیده شود. از دیدگاه او، همه‌ی پیام‌ها صرف‌نظر از کانال استفاده‌شده، در خطر دچارشدن به بی‌دقتی و نادرستی قرار دارند و دلیل آن نیز نویز موجود در پیام است.

شانون اعتقاد داشت عامل گذر از مشکل نویز و رسیدن به پیام‌های مطمئن و پایدار در اطلاعات داخل پیام‌ها قرار دارد. او در یادداشت‌های خود، نوشته بود معنای هر پیام ارتباطی با روش انتقال آن ندارد. درواقع، پیام را باید دنباله‌ای با مشخصات آماری تصور کرد. درواقع، همین مشخصات باید جمع‌آوری شوند و با کوتاه‌سازی کدگذاری آن‌ها بهتر منتقل شوند. درنتیجه، هرچه انتروپی پیام بیشتر باشد، زمان و فعالیت موردنیاز برای انتقالش بیشتر می‌شود.

Ultimate Machine اختراع کلود شانون

جان توکی مفهومی به‌نام «بیت» پایه‌گذاری کرده بود. شانون با بهره‌گیری از همین مفهوم می‌گفت اطلاعات هر پیام باید به‌صورت بیت اندازه‌گیری شود و بیت‌ها نیز مفاهیمی دیجیتالی هستند. درادامه، او محدودیت پیام‌رسانی را با ظرفیت کانال ارتباطی و بیت‌های اطلاعات پیام‌ها مرتبط کرد. بعدها، مهندسان ارتباطات از دستاورد پایانی شانون به‌عنوان محدوده‌ی شانون استفاده کردند.

مطالعات و فعالیت‌های متفرقه

شانون درکنار فعالیت‌های رمزنگاری و تدوین نظریه‌ی اطلاعات، فعالیت‌های متعدد دیگری هم داشت. او در سال ۱۹۵۶، عضو هیئت‌علمی دانشگاه MIT شد و در آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک این دانشگاه فعالیت کرد. او تا سال ۱۹۷۸، در MIT فعالیت می‌کرد.

یکی از دستگاه‌های جالبی که شانون ساخت، به‌نام «ماشین بی‌کاربرد» شناخته می‌شود. البته در آن زمان، از اسم Ultimate Machine برای اختراع شانون استفاده می‌کردند. ایده‌ی این ماشین را ماروین مینسکی توسعه داده بود. دستگاه شانون جعبه‌ای با یک دکمه است که پس از فشاردادن دکمه، درِ آن بازمی‌شود و بازویی مکانیکی دکمه را به حالت اولیه بازمی‌گرداند. علاوه‌بر ماشین بی‌کاربرد، دستگاهی برای حل مکعب روبیک هم از اختراعات شانون محسوب می‌شود.

ماشین حل مکعب روبیک

در تولید کامپیوترهای اولیه، شانون همکاری نزدیکی کرده بود. او کامپیوتر مینی‌واک ۶۰۱ (Minivac 601) را طراحی کرد. مینی‌واک کامپیوتری دیجیتالی با هدف آموزش کاربرد کامپیوترها به افراد فعال در صنعت و تجارت بود. علاوه‌بر این کامپیوتر، افتخار اختراع اولین کامپیوتر پوشیدنی هم به شانون و ادوارد اُ. ثورپ می‌رسد.

از دستگاه‌های جالب دیگری که شانون ساخت، Theseus است که ابعادی نزدیک به ماوس کامپیوتری داشت. ربات ساخته‌ی شانون موشی مغناطیسی بود که با مدار رله‌ای الکترومکانیکی کنترل می‌شد. موش مغناطیسی می‌توانست مسیرش را از هزارتوی تعبیه‌شده پیدا کند. طراحی هزارتو نیز تغییر‌دادنی بود. موش مغناطیسی شانون به‌گونه‌ای طراحی شده بود که اگر یک‌بار مسیر هزارتو را طی می‌کرد و مجددا در محلی آشنا گذاشته می‌شد، باتوجه‌به تجربه‌ی قبلی، مسیر را به‌سمت هدف پیدا می‌کرد. اگر موش را برای مرتبه‌ی بعدی در مکانی قرار می‌دادند که از آن نگذشته بود، با طی مسیرها به نقطه‌ای آشنا می‌رسید. سپس، مسیر به‌سمت هدف طی و تجربه‌ی جدید نیز در حافظه‌ی موش ذخیره می‌شد. شاید بتوان دستگاه شانون را اولین ماشین یادگیری مصنوعی در نوع خود دانست.

شانون از علاقه‌ی خود به شطرنج هم برای مطالعات علمی استفاده کرد. او در سال ۱۹۵۰، مقاله‌ای منتشر کرد که پیچیدگی بازی شطرنج را در آن بررسی کرده بود. محاسبات شانون پیچیدگی بازی را ۱۰۱۲۰ بیان می‌کرد. امروزه، این عدد به‌نام «عدد شانون» شناخته می‌شود و هنوز تخمینی دقیق از پیچیدگی بازی شطرنج است.

Minivac 601

در سال ۱۹۴۹، شانون مقاله‌ای با موضوع برنامه‌نویسی کامپیوترها برای انجام بازی شطرنج منتشر کرد. او در مقاله‌‌اش، توضیح داده بود چگونه می‌توان با آموزش موقعیت‌یابی و حرکت مهره‌ها به کامپیوتر، بازی شطرنج را به آن‌ها آموخت. به‌علاوه، استراتژی‌های لازم برای محدودکردن تعداد احتمالات موجود در بازی نیز در مقاله‌ی شانون شرح داده شده بود. درنهایت، مقاله‌ی شانون به‌عنوان یکی از اولین تألیف‌ها با موضوع برنامه‌نویسی کامپیوتر برای بازی‌کردن شطرنج و نیز حل مسائل شناخته شد.

زندگی شخصی و مرگ

کلود شانون در سال ۱۹۴۰، با یهودی ثروتمندی به‌نام نرما لوور ازدواج کرد؛ ولی پس از یک سال، از وی جدا شد. شانون همسر دومش را در آزمایشگاه بل یافت. بتی شانون، همسر دوم کلود، در زمان آشنایی در مقام تحلیلگر عددی در آزمایشگاه بل کار می‌کرد. در سال ۱۹۴۹، کلود و بتی باهم ازدواج کردند و در سال‌های بعد، بتی یکی از دستیاران اصلی کلود در اختراع‌ها و نظریه‌پردازی‌ها بود.

یادبود ۱۰۰ سالگی کلود شانون

حاصل ازدواج کلود و بتی شانون سه فرزند به‌نام‌های رابرت جیمز و اندرو مور و مارگاریتا بود. ریاضی‌دان بزرگ آمریکایی به‌همراه خانواده‌ای در وینچستر ماساچوست زندگی می‌کرد. در سال‌های پایانی عمر، کلود شانون به آلزایمر دچار شد. سرانجام، وی در ۲۴فوریه‌ی۲۰۰۱ و در ۸۴ سالگی از دنیا رفت.

شانون در طول سال‌های زندگی، جوایز متعددی به‌خاطر دستاوردهای علمی و فناوری‌اش دریافت کرد. در سال ۱۹۳۹، انجمن مهندسان آمریکا جایزه‌ی آلفرد نوبل را به او اهدا کرد. همچنین، دانشگاه‌های متعدد مدارک افتخاری بسیاری به این ریاضی‌دان شهیر آمریکایی دادند. برخی از این دانشگاه‌ها عبارت‌اند از: ییل، میشیگان، پرینستون، ادینبرو، پیتسبورگ، نورث‌وسترن، آکسفورد، کارنگی ملون و پنسیلوانیا. در سال ۱۹۴۹،‌ انجمن مهندسان رادیو آمریکا جایزه‌ی موریس لیبمن را به کلود اهدا کرد.

در سال ۱۹۷۲، مؤسسه‌ی IEEE جایزه‌ای به‌نام جایزه‌ی کلود شانون معرفی کرد که به افراد فعال در حوزه‌ی نظریه‌ی اطلاعات اهدا می‌شود. شانون اولین فردی بود که این جایزه را دریافت کرد. جایزه‌ی کیوتو که به‌نوعی نوبل ژاپن محسوب می‌شود، در سال ۱۹۸۵، به‌‌دلیل تدوین مفاهیم نظریه‌ی اطلاعات به شانون اهدا شد.