Tiểu sử và thành tựu của Alan Turing - Cha đẻ của ngành Khoa học máy tính

Nếu bạn là một người đam mê khoa học máy tính, bạn có lẽ đã biết đến nhà toán học vĩ đại người Anh, Alan Turing, bởi ông chính là người đặt nền móng cho ngành khoa học máy tính với di sản là phép thử Turing khi đặt ra câu hỏi về sự phát triển của trí tuệ nhân tạo: khả năng ý thức, suy nghĩ của máy móc. Ngoài ra, ông cũng có chiến công lừng lẫy khi giúp nước Anh (phe Đồng Minh) giải được thông tin đã được mã hoá bởi phát xít Đức trong Thế Chiến II. Và ngày sau đây, các bạn hãy cùng Hùng tìm hiểu thêm về nhà thiên tài Alan Turing này.

Hình 1. Chân dung của Alan Turing. 1

Thời thơ ấu và sự nghiệp học hành của Alan

Alan Turing sinh ngày 23 tháng 6 năm 1912 tại Luân Đôn, Anh 1. Ngay từ những ngày đầu lọt lòng, Alan đã phải thích ứng với cuộc sống dịch chuyển liên tục của bố mẹ do trong thời gian đó, bố ông đang làm việc cho chính phủ Ấn Độ (thuộc địa của Anh thời bấy giờ). Dù thiếu thốn sự chăm sóc của bố mẹ do được nuôi ở nhà một người bạn của bố Alan, ông vẫn thể hiện năng khiếu thiên bẩm về toán học, đặc biệt là giải đáp các câu đố và nhanh chóng được các giáo viên ghi nhận tài năng. Bên cạnh đó, Alan còn là một người khiêm tốn và hiếu học. Một ví dụ điển hình cho việc này là trong ngày khai giảng khóa đầu tiên của Alan tại trường nội trú Sherborne, mặc cho các cuộc đình công quy mô lớn khiến giao thông trì trệ, ông vẫn quyết chí đạp xe tới trường cách 97km mà không cần người hướng dẫn. Nhưng đáng tiếc thay, tài năng toán học của Alan không được coi trọng tại ngôi trường bậc nhất nước Anh, do trường vốn chỉ chú trọng vào các môn như văn học và lịch sử. Dẫu vậy, Alan vẫn miệt mài theo đuổi con đường của riêng mình. Ông thậm chí còn có thể tự suy luận các luận điểm khoa học của Albert Einstein khi chỉ mới 15 tuổi. Hậu quả của việc học lệch của Alan là bị đánh trượt hầu hết các môn học ngoài toán học và khoa học. Tuy nhiên, Alan vẫn có thể tốt nghiệp trường đại học Cambridge. Trong khoảng thời gian học tập tại đây, Alan đã tạo được tiếng tăm của mình khi tranh luận với một loạt các nhà toán học khác thông qua thông qua các bài viết trao đổi mang tính chuyên sâu về toán học và đặc biệt là khoa học máy tính. Alan Turing đã có được bằng tiến sĩ tại trường đại học Princeton vào năm 1938 vì ông đã tạo ra thuật ngữ máy Turing với mục đích chính là các khái niệm liên quan đến vấn đề lựa chọn đúng sai của một cỗ máy tiên tiến giả lập. Chính những khái niệm này đã góp phần lớn tạo nên những chiếc máy tính đầu tiên của nhân loại.

Máy Vạn Năng Turing

Quay trở về những năm 1930, Alan đã có những suy nghĩ về định lý chưa hoàn chỉnh của Kurt Gödel, trong đó Gödel đã chứng minh sự tồn tại của một số vấn đề toán học không thể giải được. Điều này đã gây nhiều tranh cãi tại thời điểm đó vì hầu hết các nhà khoa học tin rằng cuối cùng rồi sẽ có cách giải quyết cho mỗi vấn đề toán học. Alan đã tự hỏi rằng liệu có thể tạo ra một chiếc máy để kiểm tra hết tất cả những các khả năng có thể xảy ra hay không. Ông đã được truyền cảm hứng từ thành tựu của Alfred Whitehead và Bertrand Russell khi đọc cuốn sách Princia Mathematica, trong đó họ đã xây dựng lại các ngôn ngữ toán học theo một trình tự nhất định của các biểu tượng. Alan đã có một bài báo mang tên On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem, đây là một cách nhìn nhận xuất sắc của ông về những cỗ máy. “Chúng ta có thể thay đổi chức năng của một cỗ máy cơ học chỉ bằng việc thay đổi ký hiệu bạn đặt vào trong nó. 2

Theo đó, các bạn hãy tưởng tượng rằng những bài toán được chuyển thành các biểu thức toán học, sau đó mã hoá chúng thành một chuỗi các biểu thức logic của các chữ số nhị phân và chỉ dẫn đến hai kết quả: Đúng hoặc Sai. Ý tưởng này đã đơn giản hoá mọi thứ như chữ, số, ký tự, âm thanh, hình ảnh thành các dãy số chỉ gồm 0 và 1. Tiếp theo, các công thức hoặc thuật toán sẽ được áp dụng để giải bài toán đó. Cuối cùng thì chiếc máy tính kỹ thuật số đã được ra đời. 3

Với tất cả các máy tính hiện nay, chúng cần một Bộ xử lý trung tâm (CPU) như là một bộ não vậy. Nhưng thực ra chức năng cơ bản của CPU là di chuyển các luồng nhị phân liên tục, những biểu tượng mà Alan đã nhắc tới, giữa các bộ nhớ; đồng thời, lưu trữ và kết hợp chúng một cách cực kỳ nhanh. Điều này gợi cho Hùng nhớ về những câu nói của thầy giáo dạy Tin học tại trường cấp 3 Khoa học tự nhiên Hà Nội: “Máy tính thực ra nó ngu lắm, bởi vì nó không giải toán như con người chúng ta mà nó sẽ thử từng trường hợp một và xem đáp án nào đúng. Điểm mạnh của những chiếc máy tính chính là nó làm những điều trên một cách cực kỳ nhanh”. Và nhờ có cái nhìn sâu sắc của Alan Turing, CPU có thể biến máy tính của các bạn thành một máy cao cấp có khả năng hiển thị hình ba chiều và kết nối trực tuyến khắp nơi trên thế giới, chuyển đổi lại một chút, máy tính của bạn cũng có thể trở thành một kho thư viện khổng lồ. Trước khi Alan chứng minh được điều đó vào năm 1936, hầu hết các máy móc bấy giờ chỉ có công dụng đơn năng như: búa, vít, máy cơ khí, v.v. Alan đã chứng minh được rằng bằng cách thay đổi các ký tự bạn cho vào máy, bạn có thể thay đổi chức năng của máy. Quả là một thiên tài phải không nào.

Sức mạnh của Enigma
Sau khi Alan học xong đại học, ông bắt đầu công việc bán thời gian tại trường mật mã và cơ yếu chính phủ theo một lời mời của chính phủ nước Anh trong việc giải mã hệ thống mã hóa Enigma của quân đội phát xít Đức ngay trong khoảng thời gian sau khi Anh tuyên chiến với Đức đầu Thế Chiến II. Và sau đây sẽ là những chi tiết về sức mạnh của Enigma.

Trong Thế Chiến II, phát xít Đức đã sử dụng sóng radio để truyền tải thông tin quân sự từ trụ sở chính đến các đơn vị bằng mã Morse. Các bạn có thể sẽ nghĩ rằng tại sao quân đội nước Anh và các nước bên phe Đồng Minh không sử dụng radio có cùng tần số để bắt được những thông tin đó. Tất nhiên là quân đội Đức đã tính trước được điều này nên họ đã mã hoá thông tin trước khi nó được truyền tải đi từ trụ sở chính. Quân đội Đức đã sử dụng những chiếc máy Enigma để mã hoá và đồng thời giải mã thông tin.

Hình 2. Hình ảnh của một chiếc máy Enigma.

Máy Enigma được kỹ sư người Đức Arthur Scherbius phát minh vào cuối Thế Chiến I. Chiếc máy này ban đầu được sử dụng với mục đích thương mại trong việc bảo mật giao dịch nhưng sau đó lại được quân đội Đức quốc xã dùng cho mục đích chiến tranh. 4

Enigma được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính: bàn phím, bộ mã hoá và bảng đèn hiển thị. Bộ mã hoá gồm có 3 bánh xe quay cùng với bảng điện ở phía trước cùng với 6 sợi cáp. 3 bánh xe quay được lắp trên một trục chính, mỗi bánh răng đại diện cho một chữ trong bảng chữ cái và các chân tiếp xúc với bánh quay tiếp theo. 5

Khi vận hành chiếc máy này, 3 bánh xe quay sẽ phải được sắp xếp theo một trình tự nhất định và có thể xáo trộn bằng cách đảo các bánh xe và quay chúng. Cùng với đó, 6 sợi cáp sẽ được thiết lập ở bảng điện phía trước nhằm hoán vị các cặp chữ cái. Mỗi khi một chữ cái được nhập, bánh xe thứ nhất sẽ quay và nếu bánh xe thứ nhất quay đến cuối vòng lặp của nó thì nó sẽ đẩy bánh xe tiếp theo. Tóm lại là khi bạn nhập một chữ cái trên bàn phím thì nó sẽ đi qua bảng điện và 3 bánh xe quay rồi quay trở lại chữ cái đã được hoán vị bảng điện. Chữ cái được mã hoá sẽ sáng lên ở bảng đèn hiển thị. Điều tinh vi ở đây chính là khi 2 chữ cái giống nhau được nhập liên tiếp thì 2 chữ cái hiển thị vẫn sẽ khác nhau do bánh xe quay sau khi mỗi chữ cái được nhập. Sau đây là một trang web giả lập về các bánh xe và các dây cáp kết nối trong máy Enigma mà các bạn có thể tham khảo: https://observablehq.com/@tmcw/enigma-machine. Và khi giải mã các mật thư thì các mật mã viên chỉ cần lắp đặt đúng thiết lập rồi nhập mã hoá vào; cuối cùng, họ sẽ có được mật thư như lúc ban đầu (do khi có cùng thiết lập, các luồng điện sẽ đi ngược lại theo đúng trình tự như lúc nó được mã hoá).

Hình 3. Hình ảnh minh họa những dây cáp điện bên trong máy Enigma

Nếu các bạn vẫn chưa hình dung kỹ được về chiếc máy này, vậy thì chúng ta có thể sử dụng toán học để biết thêm về sức mạnh của Enigma. Đầu tiên, với 3 chiếc bánh xe, ta sẽ có 6 hoán vị để sắp xếp thứ tự các bánh xe. Mỗi bánh xe có 26 bánh răng, đồng nghĩa với việc là 3 bánh xe sẽ có 263 hoán vị. Với 6 cặp chữ cái ở trên bảng điện, ta sẽ có được 100391791500 cách để ghép cặp chúng. Cuối cùng là những vị trí khởi điểm của 3 bánh xe, ta có 263 hoán vị cho vị trí khởi điểm của chúng. Tổng cộng, chiếc máy Enigma có xấp xỉ 186 tỉ tỉ hoán vị. Vậy có nghĩa là, kể cả khi chiếc máy Enigma rơi vào tay địch, thì quân địch vẫn sẽ không thể nào phá được mật mã do thiết lập máy không được biết trước. Không những vậy, trên mỗi chiếc tàu chiến và tàu ngầm của quân đội Đức, họ sẽ có bảng thiết lập máy Enigma cho từng ngày và điều này càng làm gia tăng độ khó cho phe Đồng Minh. 6

Bombe vs Enigma

Khi Alan bắt đầu công việc của mình tại trường mật mã và cơ yếu chính phủ tại công viên Bletchley cách Luân Đôn 50 dặm về phía Tây Bắc, ông cho rằng chỉ có máy móc mới có thể đánh bại được chính máy móc và nó sẽ chẳng giúp ích được gì khi con người tốn khoảng 2000 năm để giải mã cho một cuộc tập kích diễn ra vỏn vẹn trong hai giờ đồng hồ. Ông đã có một ý tưởng về thiết kế chế tạo ra một cỗ máy tên Bombe, phỏng theo tên Bomba của Ba Lan. Chiếc máy này có thể được coi là chiếc máy tính sơ khai đầu tiên của nhân loại.

Hình 4. Hình ảnh chiếc máy Bombe

Bombe là một cỗ máy phức tạp bao gồm 80 đèn điện tử và rất nhiều rơ-le, cao 2 mét và chiều rộng vài mét, 12 mét tổng chiều dài dây cáp và 97000 linh kiện máy móc. Chiếc máy cơ điện tử này hoạt động giống như một công cụ tìm kiếm các thiết lập về vị trí của các bánh xe cũng như thứ tự của chúng trong những chiếc máy Enigma mà quân đội Đức sử dụng tại ngày hôm đó. Bombe mỗi giây có thể đọc được 2000 mã. 4

Dựa trên những điểm yếu của máy Enigma như một chữ cái được mã hoá không thể nào trùng với chữ cái đã được nhập vào và hoán vị ở bảng điện tử (nếu biết được A là B, chắc chắn B sẽ là A), Alan cùng với đồng nghiệp của mình đã lược bỏ đi được rất nhiều các khả năng có thể xảy ra khiến cho việc tìm ra thiết lập của máy Enigma mỗi ngày tốn ít thời gian hơn một cách đáng kể. 7

Nhờ việc giải mã được thông tin, quân đội Anh cùng phe Đồng Minh có thể vạch ra chiến lược chống lại phát xít Đức dễ dàng. Các nhà sử gia đã ước tính được rằng, nhờ có chiến công này, Chiến tranh Thế giới II ước tính kết thúc sớm hơn 2 năm, cứu mạng hàng triệu binh lính.


Sau chiến tranh
Từ năm 1945, Alan làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lý quốc gia, nghiên cứu về khoa học máy tính. Năm 1946, Hoàng gia Anh tặng huân chương OBE, một vinh dự cao cho Alan Turing. Giữa năm 1947 đến năm 1948, ông nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo trong khi đang làm Phó giám đốc Phòng thí nghiệm tính toán tại Đại học Manchester. Năm 1949, ông trở thành nhà khoa học đầu tiên thực tế dùng máy tính để nghiên cứu toán học. Năm 1950, ông công bố luận văn “Máy tính và trí tuệ”, trong đó có đề cập tới “Phép thử Turing”, một nền móng cho trí tuệ nhân tạo. Năm 1951, Alan bắt đầu nghiên cứu lý thuyết phi tuyến tính của sinh vật; đồng thời, ông được bầu làm thành viên hội khoa học Hoàng gia (hay còn gọi là viện sĩ).


Phép thử Turing

Hình 5. Hình ảnh minh hoạ cho phép thử Turing

Trong bài luận văn của ông đã công bố vào năm 1950 như đã nêu ở trên, trong câu đầu tiên, Alan đã viết “Tôi đề nghị xem xét câu hỏi ‘Liệu máy móc có thể suy nghĩ không?’ ” 8 . Alan miêu tả về một thí nghiệm ảo mà ông gọi nó là ‘Trò chơi bắt chước’. Trong thí nghiệm này, sẽ có một chiếc máy tính, một con người và một thẩm phán. Mỗi người sẽ được ở trong một phòng riêng biệt. Thẩm phán sẽ đưa ra câu hỏi để phân biệt xem ai là người và ai là máy tính. Nếu thẩm phán không thể phân biệt được, vậy có nghĩa là máy tính đã có những suy nghĩ giống như con người. Alan dự đoán rằng 30% các cỗ máy sẽ chiến thắng được trò chơi này vào năm 2000. Phép thử Turing này đã đặt ra một nền móng cho việc phát triển của trí tuệ nhân tạo.

Cái kết bi thảm của một nhà thiên tài.

Đáng tiếc là đầu năm 1952, Turing bị phát hiện là một người đồng tính sau khi xảy ra một vụ kẻ lạ đột nhập vào nhà và người giúp kẻ đó lại là Arnold Murray, một người đồng tính nam 19 tuổi, mới quen biết ông. Trong quá trình điều tra, ông thừa nhận mình từng có quan hệ tình dục đồng tính với Murray. Theo luật của nước Anh thời ấy, đồng tính là phạm pháp. Ông phải chọn một trong hai hình phạt là ngồi tù hoặc thiến hóa học. Vì tình yêu lớn lao mà ông dành cho khoa học máy tính nên ông quyết không để chính phủ lấy đi tài sản quý báu của mình, Alan đã chọn cách thiến hóa học. Có lẽ vì không chịu nổi nỗi cô đơn khi bị cộng đồng xa lánh sau lời buộc tội, ông đã tự sát bằng cách ăn quả táo đã được tẩm độc xyanua, tự kết thúc đời mình vào ngày 7/6/1954 khi mới chỉ 42 tuổi.

Năm 1966, Hiệp hội Máy tính (Association for Computing Machinery) sáng lập Giải thưởng Turing để tưởng nhớ tới cống hiến lớn lao của ông và giải thưởng này được coi là giải thưởng Nobel về khoa học máy tính. Ngày 5/6/2004, người ta đã dựng tượng đài Alan Turing tại công viên Sackville thành phố Manchester, giữa toà nhà của đại học cùng tên trên phố Whitworth cùng xóm của những người đồng tính nam. Bức tượng được làm bằng đồng có hình ông đang ngồi trên ghế cùng với một quả táo cắn dở trên tay.

Hình 6. Ảnh chụp ngày 22/6/2018, một ngày sau sinh nhật thứ 106 của ông.

Đây cũng là lý do hãng Apple khi họ dùng hình ảnh một quả táo cắn dở làm logo của họ để tri ân những nền móng mà Alan Turing đã đặt ra cho ngành khoa học máy tính cũng như là trí tuệ nhân tạo.

Nếu bên cạnh sự đam mê khoa học máy tính, bạn còn ưa thích điện ảnh thì bộ phim "Người giải mã (Imitation game)" có lẽ sẽ thích hợp nhất với bạn. Đây là bộ phim kể về chiến công lịch sử của Alan Turing trong việc giải mã chiếc máy Enigma.

Nguyễn Việt Hùng

Ngày viết 20/04/2020

-----------------------------

Tài liệu tham khảo

[1] BBC News,Celebrating Alan Turing's genius <https://www.bbc.com/news/technology-17662585>,accessed 20 April 2020.

[2] Biography.com Editors, Alan Turing Biography, July 16, 2019 <https://www.biography.com/scientist/alan-turing>, access 20 April 2020.

[3] Cambridge University, Alan Turing - Celebrating the life of a genius , 21 June, 2012, Youtube <https://www.youtube.com/watch?v=gtRLmL70TH0>, accessed 20 April 2020.

[4] CNET, What is the Turing Test?, 31 March, 2015, Youtube, <https://www.youtube.com/watch?v=sXx-PpEBR7k>, accessed 20 April 2020.

[5] Crash Course, Alan Turing: Crash Course Computer Science #15, 7 June, 2017, Youtube, <https://www.youtube.com/watch?v=7TycxwFmdB0>, accessed 20 April 2020.

[6] Elaine J.Hom, Alan Turing: Computer Pioneer, Code-Breaker, Gay Icon, 23 June, 2013 <https://www.livescience.com/29483-alan-turing.html>, accessed 20 April 2020.

[7] Holden Frith, CNN, Unrevealing the tale behind the Apple logo, 7 October, 2011, <https://edition.cnn.com/2011/10/06/opinion/apple-logo/index.html>, accessed 20 April 2020.

[8] Jethro Mullen, CNN, Alan Turing, code-breaker castrated for homosexuality, receives royal pardon, 19 August, 2014,

<https://edition.cnn.com/2013/12/24/world/europe/alan-turing-royal-pardon/>, accessed 20 April 2020.

[9] Numberphile, Flaw in the Enigma Code, 14 January, 2013, Youtube, <https://www.youtube.com/watch?v=V4V2bpZlqx8>, accessed 20 April, 2020.

[10] Perimeter Institute for Theoretical Physics, 23 June, 2014, The Inner Workings of an Enigma Machine, Youtube, <https://www.youtube.com/watch?v=mcX7iO_XCFA>, accessed 20 April 2020.

[11] TED-Ed, The Turing test: Can a computer pass for a human? - Alex Gendler, 25 April, 2016, Youtube, <https://www.youtube.com/watch?v=3wLqsRLvV-c>, accessed 20 April 2020.

[12] Turing Machines (Stanford Encyclopedia of Philosophy) <https://plato.stanford.edu/entries/turing-machine/>,accessed 20 April 2020.

[13] WillieWillieHarrySte, 11 October, 2010, Cracking the NAZI Enigma Code Machine, Youtube <https://www.youtube.com/watch?v=Hb44bGY2KdU>, accessed 20 April 2020.

[14] World Science Festival, The Enigma Machine explained, 14 May, 2013, Yoututbe, <https://www.youtube.com/watch?v=ASfAPOiq_eQ>, accessed 20 April, 2020.

[15] Phim Người giải mã (Imitation game - 2014)

Thông tin phản hồi: 

Bài viết được lên ý tưởng và thực hiện bởi ban Chuyên Môn của tổ chức Science for the Future Fair (SFF) nhằm mục đích phi lợi nhuận.

Mọi ý kiến đóng góp và thắc mắc liên quan đến bài blog hay những thông tin về SFF vui lòng gửi về địa chỉ email: Sff.banchuyenmon@gmail.com