他發出的信號與世長存
———記現代信息理論創始人香農
———記現代信息理論創始人香農
【美國《科學美國人》網站１０月２１日文章】題：信息理論創始人克勞德·Ｅ·香農（作者 格雷厄姆·Ｐ·柯林斯）
量子信息科學是一個新興的領域，大量的研究人員正在為這門新興的學科奠定基礎。但傳統信息科學卻是在大約５０年前從克勞德·Ｅ·香農的工作開始發展起 來的。香農１９４８年在貝爾實驗室起草了一份裏程碑式的文件，用數學術語確定了信息是什麽和信息應當怎樣傳輸。一直被認為是完全不同的通訊模式————電 報、電話、無線電和電視———被統一在一個框架中。
創建信息編碼與糾錯技術
香農１９１６年出生於密歇根州佩托斯基，父親是法官，母親是教師。在眾多的發明嚐試中，他在自己的家和朋友家之間架了一條電報線。香農１９３６年畢業 於密歇根大學，獲電氣工程和數學學位，然後進麻省理工學院深造，在那裏，他師從計算機先驅萬尼瓦爾·布什，並有機會在一台模擬計算機上工作。
人們認為香農在麻省理工學院的電氣工程方麵的博士論文是２０世紀最重要的論文。在這篇論文中，２２歲的香農闡明如何利用電路的開啟和關閉進行１９世紀 數學家喬治·布爾的邏輯演算。數字化計算機的這一最基本的特征（用開或關代表“真”或“假”和“０”或“１”，並且利用電子邏輯門作決定和進行演算）可以 追溯到香農在這篇博士論文中提出的見解。
１９４１年，已經獲得博士學位的香農來到貝爾實驗室，從事跟戰爭有關的研究，其中包括密碼技術。他還悄悄地研究信息和通信方麵的理論。１９４８年，他的研究成果分兩部分發表在貝爾實驗室研究刊物上。
香農用一個類似於確定物理學熱力熵的方程式來確定一個源所產生的信息數量————例如一條信息中的信息數量。用最基本的術語來說，香農的信息熵是一些 把一條信息進行編碼所需要的二進位製信息單元。今天，這看起來似乎是一種用來確定一條信息中有多少信息的簡單甚至明顯的方法。但是，在１９４８年，在信息 時代剛剛開始的時代，這種把任何種類的信息都用數字來表示的方法是一個革命性的步驟。香農在研究報告中首次使用了“比特”————二進位製信息單元的縮寫 ———這個詞。
除了確定信息外，香農還分析了通過通信道發送信息的能力。他發現，一條通信道有不可超過的最大傳輸率。現在我們把它稱作頻寬。香農用數學方式證明，即使是在一條有噪聲的窄頻通信道上，隻要使傳輸率保持在頻寬範圍內並且采用糾錯方案，照樣可以進行完美的無差錯通信。
現在，從調製解調器到音樂激光唱片，每一樣東西都離不開糾錯功能。量子信息科學家所取得的一項重大成果就是開發在量子信息中使用的糾錯技術和確定用一條噪聲量子通信道能發送多少信息的技術。
驗證信息安全傳輸理論
香農創建和推廣了信息理論，一年後他又發表一篇論文，證明不可破譯的密碼是可能的。（他的這篇論文是在１９４５年發表的，但這在當時是保密的。）該方 案被稱作一次性密碼或凡爾南密碼，這是根據在第一次世界大戰快要結束時發明該編碼方式的阿爾伯特·凡爾南的名字命名的。這種編碼方式是用隨機數字把信息編 成密碼。隻要信息編成密碼，就需要一個隨機解碼本，而且任何解碼本都不得兩次使用。香農的貢獻是證明這種密碼是不可破譯的。到目前為止，除此之外還沒有一 種密碼是不可破譯的。
一次性密碼的問題是，通信雙方必須各有一本密碼本，而且這種密碼本不能讓間諜或竊聽者知道。量子密碼技術————可能更多的時候叫量子密碼本配送技術 ————解決了這個問題。這一技術產生隻有量子通信道兩端才能辨認的隨機密碼本。量子物理學確保無人能竊聽或了解有關密碼本的任何信息：任何鬼鬼祟祟的試 探都會擾亂微妙的相互關係從而被檢查出來，這跟有噪聲通信道數據傳輸的糾錯檢查是一個道理。
建立在凡爾南編碼和量子密碼本配送技術基礎上的密碼是非常安全的：量子物理學確保密碼本的安全，而香農定理證明這種密碼方法是不可破譯的。
確立計算機下棋的編程原則
在貝爾實驗室（後來於１９５８年回到麻省理工學院直到１９７８年退休），香農由於喜歡騎獨輪車和跑步而出名。他喜歡擺弄機械裝置，曾經裝了一隻能鑽迷 宮的機械鼠和一台用羅馬數字計算的計算機。在１９５０年，他為《科學美國人》寫了一篇有關為會下棋的計算機編製程序的原則的文章。
在２０世紀９０年代，香農不幸得了阿耳茨海默氏症（早老性癡呆症），也就是說，在他的大腦中，通往記憶的通信道逐漸衰退直至有意義的信號再也不能通 過，頻寬逐漸變窄直至完全堵塞。克勞德·Ｅ·香農這架特殊的信息處理器由於熱力熵的逐漸侵蝕而於２００１年２月停止了工作。但是，香農發出的某些信號卻與 世長存，這些信號表現在我們現實生活中不可或缺的信息技術中。
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