«Отец» современной информатики и искусственного интеллекта

«Никто другой не внес такого же вклада в нашу победу в войне»

 Уинстон Черчилль

Сейчас нам трудно представить свою жизнь без интернета и новых технологий, однако в свое время к развитию этой отрасли приложило руки немало выдающихся людей. Современным математикам, программистам и компьютерным инженерам имя Алана Тьюринга хорошо знакомо еще со студенческой скамьи: всем им приходилось изучать «машину Тьюринга» — «основу основ» теории алгоритмов. Без «машины Тьюринга» не обходится ни один серьезный учебник по математической логике и теории вычислимости. За «машиной Тьюринга» стоит история жизни научного гения — гения, который лишь через много лет после своей трагической смерти получил достойное признание. Алана Тьюринга называют «отцом» современной информатики, человеком, который сделал весомый вклад в развитие искусственного интеллекта. Но роль ученого в истории информатики не ограничивается изобретением одной лишь  «машины Тьюринга». О научных открытиях и достижениях Алана Тьюринга и поговорим в рамках данной статьи. 

Главные достижения Тьюринга

Алан Тьюринг является одним из отцов компьютерной эры: его теоретические работы серьёзно повлияли на развитие информатикии теории искусственного интеллекта, его считают первым теоретиком современного программирования и, наконец, первым в мире хакером. Придумав абстрактную «машину Тьюринга», он формализовал понятие алгоритма. Помимо этого участвовал во взломе кода нацистской шифровальной машины «Энигма» и код «Лоренц». Но наибольшую известность учёному принёс Тест Тьюринга, позволяющий оценивать искусственный интеллект и его способность к мышлению, подобному человеческому. 

Замечу, что именно Алан Тьюринг, согласно общепринятой информации, впервые пустил в обращение сам термин «компьютер» в современном понимании. До этого так называли тех, кто занимался вычислениями, например, банковских служащих, работавших на арифмометре.

Детство и юность Алана

Тьюринг родился 23 июня 1912 в Вилмслоу  в Великобритании. Он происходит из семьи аристократов: отец Тьюринга — Джулиус Мэтисон — заведовал британским колониальным ведомством в Индии, а мать — Этель Сара Стоуни — была дочерью главного инженера Мадраських железных дорог. В детстве парень редко видел своих родителей, так как те работали в Индии.

В возрасте 6 лет Алан пошел в школу святого Михаила в Гастингсе. В 7 лет, он начал обучение в Шернборнський публичной школе. Уже в школе парень проявлял выдающиеся способности по математике, при этом был одним из худших учеников в классе по гуманитарным предметам.

В 1929 Тьюринг пытался поступить в Кембриджский университет вместе со своим лучшим другом Кристофером Моркомом, но безуспешно. Из-за нелюбви к гуманитарным наукам, Тьюринг не добрал баллов на экзамене и поэтому после школы поступил в Королевский колледж Кембриджа, хотя намеревался уйти в Тринити-колледж. За часть своей стипендии он купил три книги, одной из которых была «Математические основы квантовой механики» Джона фон Неймана.

Тюринг рассматривал идею, что мир на субатомном уровне не подчиняется строгим законам, а лишь статистическим вероятностям. Он считал, что именно это позволяет людям проявлять свободу воли и отличает их от машин.

Начало научной деятельности 

В 1936 году вышла работа Тьюринга «Об измеряемых числах», в тексте которой Алан ввел понятие универсальной машины (позже названной «машиной Тьюринга»). «Машина Тьюринга» вычисляла все, что только возможно. К слову, концепция современного персонального компьютера базируется на проекте, разработанном Тьюрингом.

Затем Тьюринг сосредоточился на изучении математики и криптологии на базе Института перспективных исследований в городе Принстоне, штат Нью-Джерси. После защиты докторской диссертации в Принстонском университете в 1938 году молодой ученый вернулся в Кембридж, где устроился на работу на неполный рабочий день в Центр правительственной связи — британскую правительственную организацию, которая работала над взломом шифров.

Период Второй мировой войны 

В 1939 году британское военное ведомство поставило перед Тьюрингом задачу разгадать секрет «Энигмы» – специального устройства, использовавшегося для шифровки радиограмм в германском военно-морском флоте и в «люфтваффе». Британская разведка раздобыла это устройство, но расшифровывать перехваченные радиограммы немцев не удавалось.

Тьюрингу была предоставлена свобода действий. Он пригласил в свой отдел «Британской школы кодов и шифров» нескольких друзей-шахматистов. 27-летнего Тьюринга и его коллег охватил настоящий спортивный азарт. Немцы считали «Энигму» неприступной. Сложность дешифровки усугублялась тем, что в закодированном слове получалось больше букв, чем в оригинале. Тем не менее, Тьюринг уже через полгода разработал устройство, названное им «Бомбой», которое позволяло читать практически все сообщения «люфтваффе». А спустя ещё год был «взломан» и более сложный вариант «Энигмы», использовавшийся нацистскими подводниками. Это во многом предопределило успех британского флота.

Энигма

«Энигма» являла собой портативную шифровальную машину, которую  первоначально применяли в коммерческих целях для сохранения тайны деловой переписки, но во время Второй мировой войны этот аппарат начало  использовать германское командование.

Аппарат работал по такому принципу. Устройство состояло из клавиатуры и набора вращающихся дисков — роторов. В процессе шифрования аппарат менял одни буквы на другие, например вместо буквы «А» использовалась «T», вместо «B» — «S» и т. д. Код прочитать мог только тот, кто знал к нему «ключ». При кодировании немцы использовали только 26 букв и отправляли сообщения группами по пять символов. Длинные сообщения разбивались на части, каждая из которых использовала свой «ключ». В Третьем рейхе считали, что «Энигму» невозможно взломать, поскольку она предполагала 2×10 в 145-й степени вариантов кодирования. 

Тьюрингу пришла идея «Banburismus» (криптоаналитический метод, предназначенный для облегчения процесса расшифровки сообщений), последовательной статистической техники, призванной помочь в расшифровке сообщений Энигмы ВМФ. Для этого он ввёл новую логарифмическую (с основанием 10) единицу измерения информации (энтропии).  Этим методом он смог исключать определённые последовательности роторов Энигмы, значительно уменьшая количество времени, необходимое для проверки настроек на «Бомбе».

Сутью криптоаналитического метода «Banburismus» является то, что так как в 1941 году комбинации колес Энигмы менялись каждый день,  шифровальщиками выбирались три колеса из доступных восьми, которые и использовались для шифрования. Таким образом, всего существовало 336 вариантов выбора на каждый день. Главной целью описываемого метода расшифровки было дать информацию о том, в каком положении находится правое колесо Энигмы, что значительно снижало количество наборов расположения колес шифровальной машины, положения которых необходимо было перебрать в процессе криптоанализа.

Затем в июле 1942 года Алана Тьюринг принял участие в расшифровке кода «Лоренц», применявшегося германским руководством для передачи сообщений высшего командования. «Лоренц» был существенно сложнее «Энигмы» и не поддавался расшифровке существовавшими методами. Ученый предложил построить дешифратор на основе электронных ламп и привёл в команду опытного инженера-электронщика Т. Флауэрса. В результате совместных усилий математиков и инженеров был разработан «Колосс»— одна из первых в мире ЭВМ. К 1944 году с помощью «Колосса» код «Лоренц» был взломан, что позволило союзникам читать всю переписку высшего германского руководства.

Работа была сверхсекретной, поэтому и сам Тьюринг, и его работы оставались строго засекречеными и после войны.

Вклад Тьюринга в процес взлома кодов этим не ограничивается. Алан также написал две статьи о математических подходах к дешифровке кода, которые считаются стратегически важными активами Кодекса и школы Cypher (позже ставшей правительственной). Центр правительственной связи только в апреле 2012 года опубликовал эти разработки в Национальном архиве Соединенного Королевства Великобритании.

Научные разработки после завершения войны

К концу войны Тьюринг переехал в Лондон, где работал в Национальной физической лаборатории. Там Тьюринг руководил проектированием автоматического вычислительного механизма и, в конечном итоге, разработал новаторский план компьютера с соответствующими программными продуктами.

Так, в 1945–1947 годах Алан работал над проектом ACE или автоматической вычислительной системой. Это был фактически первый компьютер в мире -аппарат с записанной в памяти программой.

В 1948 голу Алан разработал программу шахмат для компьютера, которого ещё не существовало. 

Тьюринг определенное время еще занимал высокие должности в отделе математики и в вычислительной лаборатории университета в Манчестере. Впервые он занялся изучением проблемы искусственного интеллекта в статье, написанной в 1950 году, «Вычислительная техника и разведка» и предложил эксперимент, известный под названием «Тест Тьюринга» — попытку создать стандарт разработки разведывательной информации для технической отрасли. 

Также Тьюринг продолжал сотрудничать и с Департаментом кодов. Только теперь в центре его внимания были уже шифры советской резидентуры в Англии. 

В 1951 году он был избран членом королевского научного общества.

Трагические последние годы жизни

В 1952 году в квартиру ученого пробрались грабители и перевернули все вверх дном, а на столе хозяина ждала записка, предупреждающая о том, что если Тьюринг обратится в полицию, то его интимная тайна станет известна на весь мир. Шантажировать себя ученый не дал и все же позвонил правоохранителям. Но проблема ограбления отошла на второй план, когда в квартире полицейские обнаружили подтверждение нетрадиционной сексуальной ориентации человека. 

В 1952 году Алан Тьюринг был признан виновным по обвинениям в совершении «грубой непристойности» в соответствии с «поправкой Лабушера», согласно которой преследовали гомосексуальных мужчин.

После ареста Тьюринга заставили выбирать между принудительным лечением гормональными препаратами для снижения либидо или тюремным заключением. Алан выбрал первое и вскоре подвергся химическим инъекциям синтетического гормона эстрогена в течение года, в конечном итоге сделавшего его импотентом.

В результате огласки сексуальной ориентации ученого ему запретили продолжать работу с криптографией в GCCS. В научном сообществе также стали игнорировать гения математики.

Потеряв возможность работать в науке, Тьюринг впал в депрессию. Скончался Алан Тьюринг 7 июня 1954. Рядом с ним нашли откушенное яблоко. Известно, что умер Алан Тьюринг от отравления цианидом, но как именно он отравился, непонятно и по сей день. Мать учёного была уверена, что её сын погиб в результате несчастного случая, поскольку в последнее время Тьюринг пристрастился к химическим опытам. Поклонники Тьюринга и сейчас считают, что его убили.  Хотя рядом с телом были найдены остатки яблока, в желудке не было обнаружено никаких частей фрукта. Вскрытие показало, что причиной смерти стала асфиксия из-за отравления цианидом. Официальной версии объявлено самоубийство.

Однако известна и другая версия смерти. Когда Вторая мировая война закончилась, Тьюринг работал над дешифровкой советских шифров. Исследователями выдвигается гипотеза, что агенты КГБ инсценировали ограбление в квартире ученого и привели его в ловушку, в результате чего работы над расшифровками советских кодов остановились. А других ученых такого уровня, чтобы продолжить работу Тьюринга, в Великобритании тогда не было.

В память об Алане Тьюринге 

В 2009 году премьер-министр Великобритании Гордон Браун официально извинился за то, что тогдашняя британские власти осудила Тьюринга к принудительному лечению от гомосексуальности.

Ежегодно Ассоциация вычислительной техники отмечает премией Алана Тьюринга ученых, достигших наибольших результатов в этой области. Премия спонсируется корпорациями Intel и Google и сейчас сопровождается наградой в 1.000.000 долларов.

Поклонником таланта Алана Тьюринга был другой гений XX века — Стив Джобс. И, как считают некоторые, надкушенное яблоко на эмблеме Apple появилось не случайно. Таким образом, Джобс отдал дань уважения памяти человека, без работ которого не было бы и успеха Apple.

Кроме того, в честь выдающегося ученого назвали астероид 10204 Тьюринг. Небесное тело расположено в главном поясе и открыли его 1 августа 1997.

Что собой представляет «машина Тьюринга»?

Машина Тьюринга (МТ) — математическая абстракция, представляющая вычислительную машину общего вида. Она является расширением модели конечного автомата и способна имитировать (при наличии соответствующей программы) любую машину, действие которой заключается в переходе от одного дискретного состояния к другому. 

Машина Тьюринга состоит из бесконечной в обе стороны ленты, разделенной на ячейки, и автомата (головки), которая управляется программой. Программы для машин Тьюринга записываются в виде таблицы, где первые столбец и строка содержат буквы внешнего алфавита и возможные внутренние состояния автомата (внутренний алфавит).Содержимое таблицы представляет собой команды для машины Тьюринга. Буква, которую считывает головка в ячейке (над которой она находится в данный момент), и внутренне состояние головки определяют, какую команду нужно выполнить. Команда определяется пересечением символов внешнего и внутреннего алфавитов в таблице.

Тест Тьюринга

Это эмпирический тест, идея которого была предложена Аланом в статье «Вычислительные машины и разум», опубликованной в 1950 году в философском журнале Mind. Тьюринг задался целью определить, может ли машина мыслить.

Стандартная интерпретация этого теста звучит следующим образом: «Человек взаимодействует с одним компьютером и одним человеком. На основании ответов на вопросы он должен определить, с кем он разговаривает: с человеком или компьютерной программой. Задача компьютерной программы — ввести человека в заблуждение, заставив сделать неверный выбор».

По сути, идея проверки предполагала общение человека с другим человеком и с компьютерной программой в течение пяти минут, только в текстовом режиме. Если компьютер сможет обмануть как минимум 30 % собеседников, тест считается пройденным. Эксперты общаются одновременно с живым человеком и роботом, находясь в разных комнатах, и не видят друг друга. По окончании теста каждый из них должен сказать, кто из двух его собеседников был человеком, а кто — программой.