Hiểu thêm về Alan Mathison Turing

Alan Mathison Turing (23/6/1912 – 7/6/1954) là một nhà toán học, logic học và mật mã học người Anh thường được xem là cha đẻ của ngành khoa học máy tính. Thử thách Turing (Turing test) là một trong những cống hiến của ông trong ngành trí tuệ nhân tạo: thử thách này đặt ra câu hỏi rằng máy móc có khi nào đạt được ý thức và có thể suy nghĩ được hay không. Ông đã công thức hóa khái niệm thuật toán và tính toán với máy Turing, đồng thời đưa ra phiên bản của "Turing", mà ngày nay được đông đảo công chúng chấp nhận, về luận đề Church-Turing, một luận đề nói rằng bất cứ mô hình tính toán thiết thực nào đều có khả năng thấp hơn hoặc bằng khả năng của một máy Turing.


Trong Đệ nhị thế chiến, Turing đã từng làm việc tại Bletchley Park, trung tâm giải mật mã của Anh, và một thời là người chỉ huy của Hut 8, một bộ phận của Anh có trách nhiệm trong việc giải mã của hải quân Đức. Ông đã sáng chế ra nhiều kỹ sảo hòng phá mật mã của Đức, trong đó có phương pháp nối các máy giải mã lại với nhau thành một bộ Bombe, một máy điện-cơ để tìm ra công thức gài đặt cho máy Enigma.

Sau chiến tranh, ông cộng tác tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (National Physical Laboratory), và đã tạo ra một trong những đồ án đầu tiên cho một máy tính có khả năng lưu trữ chương trình (stored-program computer), nhưng nó không bao giờ được kiến tạo thành máy. Năm 1947 ông chuyển đến Đại học Victoria tại Manchester để làm việc, đa số trên phần mềm cho máy Manchester Mark I, lúc đó là một trong những máy tính hiện đại đầu tiên.

Năm 1952, Turing bị kết án với tội đã có những hành vi khiếm nhã nặng nề, sau khi ông tự thú đã có quan hệ đồng tính luyến ái với một người đàn ông ở Manchester. Ông bị tù treo và phải dùng liệu pháp hoóc môn.

Turing qua đời năm 1954; cuộc điều tra cái chết của ông cho thấy ông đã tự tử bằng cách ăn một quả táo có tẩm thuốc độc xyanua.


Thời thơ ấu và thiếu niên

Mẹ của Alan mang thai ông vào năm 1911, tại Chatrapur, Ấn Độ. Cha ông, Julius Mathison Turing, lúc đó là một công chức trong ngành Dân chính Ấn Độ (Indian Civil Service), lúc đó vẫn dưới sự cai quản của chính phủ Anh. Julius và vợ mình, bà Ethel (nguyên họ là Stoney) muốn con mình lớn lên tại Anh, nên họ đã trở về Paddington, Luân Đôn, nơi Alan Turing được sinh ra vào ngày 23 tháng 6 năm 1912. Vì nhiệm vụ với ngành dân chính của cha ông vẫn còn, trong lúc Alan còn nhỏ, cha mẹ của ông thường phải di chuyển giữa Guildford (Anh) và Ấn Độ, để hai đứa con trai của họ cho các người bạn tại Anh giữ hộ, vì tình trạng y tế ở Ấn Độ còn thấp kém. Ngay từ lúc còn nhỏ, ông đã thể hiện các dấu hiệu thiên tài. Ông tự tập đọc trong vòng ba tuần, và có biểu lộ ham thích toán học, cùng với giải đáp các câu đố.

Lúc Alan 6 tuổi, cha mẹ cho ông học tại trường St. Michael\'s. Bà hiệu trưởng của trường đã nhận thấy thiên tài của Alan từ lúc ban đầu, cũng như các giáo viên của ông sau này. Năm 1926, khi ông 14 tuổi, ông đến học tại trường nội trú Sherborne ở Dorset. Ngày khai giảng của khóa đầu xảy ra cùng ngày với một cuộc tổng đình công tại Anh, nhưng vì ông quyết trí muốn đến lớp, ông đã chạy xe đạp trên 60 dặm (100 km) từ Southampton đến trường, không có người dẫn, chỉ dừng lại và trọ qua đêm tại một quán trọ trên đường. Sự kiện này đã được báo chí địa phương tường trình.
Tuy có năng khiếu toán và khoa học, Turing không được các thầy cô coi trọng tại Sherborne, một trường công nổi tiếng và đắt đỏ (thật sự đây là một trường tư ở Anh nổi tiếng với tính từ thiện) vì trường này đánh giá các môn kinh điển cao hơn. Hiệu trưởng của ông đã viết thư cho cha mẹ ông nói "Tôi hy vọng rằng anh ta không rơi vào tình trạng lơ lửng, giữa trường nọ với trường kia. Nếu anh ta muốn ở lại Trường Công, thì anh ta nhất định phải đặt mục tiêu để trở thành một người có giáo dục. Còn nếu anh ta chỉ muốn trở thành một Nhà khoa học chuyên ngành thì tôi e rằng anh ta đang phung phí thời gian của mình tại Trường Công" .

Mặc dầu vậy, Turing vẫn biểu hiện năng khiếu trong các môn ông ưa thích. Ông đã giải được nhiều bài toán bậc cao trong năm 1927 trước khi học đến giải tích cơ bản. Khi ông 16 tuổi (1928), ông đã hiểu được các tác phẩm của Albert Einstein, không những nắm được nội dung, ông còn suy luận được về những thắc mắc của Einstein đối với các định luật của Newton về chuyển động trong một bài viết mà Einstein không nói thẳng ra.

Trong lúc học tại Sherborne, Turing đã ngầm yêu Christopher Morcom, một người bạn, nhưng mối tình không được đáp lại. Morcom qua đời một vài tuần trước khi ra trường vì bệnh lao đã mắc phải sau khi uống sữa bò có vi khuẩn lao lúc còn nhỏ. Turing rất đau lòng vì sự việc này.


Đại học và các nghiên cứu trong toán học

Vì Turing không chịu học các môn ngoài toán và khoa học, ông không nhận được học bổng để học tại Học viện Trinity của Đại học Cambridge, mà phải học tại Học viện King\'s của Đại học Cambridge từ năm 1931 đến 1934 và tốt nghiệp đại học với bằng danh dự. Năm 1935 ông được chọn làm nghiên cứu sinh tại trường King\'s, do sức thuyết phục của mình trong luận văn về hàm số độ sai của Gauss.

Trong bài viết nổi tiếng của ông, tựa đề "Các số khả tính, với áp dụng trong Vấn đề về lựa chọn" (On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem) - thuật toán lôgic - (đệ trình ngày 28 tháng 5 năm 1936), Turing tái dựng lại kết quả của Kurt Gödel hồi năm 1931 về những hạn chế trong chứng minh và tính toán, thay đổi thuật ngữ tường trình số học chính quy của Gödel, bằng cái mà ngày này người ta gọi là máy Turing, một dụng cụ chính quy và đơn giản. Ông đã chứng minh rằng một cái máy như vậy sẽ có khả năng tính toán bất cứ một vấn đề toán học nào, nếu vấn đề ấy có thể được biểu thị bằng một biểu trình thuật toán, ngay cả khi một cái máy Turing cụ thể như vậy không có mấy công dụng thực tiễn vì sự chậm chạp của nó so với những cơ chế khác.
Máy Turing, cho đến nay, vẫn là một vấn đề nghiên cứu trung tâm trong lý thuyết về máy tính. Ông còn tiếp tục chứng mình rằng vấn đề về lựa chọn (Entscheidungsproblem) là một vấn đề không có giải đáp, bằng cách đầu tiên chứng minh rằng nan đề ngưng hoạt động trong máy của Turing là một nan đề bất khả định; khó mà có thể quyết định được rằng một cái máy Turing nào đó sẽ ngưng hoạt động tại một điểm nào đó. Tuy chứng minh của ông được đăng công khai sau chứng minh tương tự của Alonzo Church đối với giải tích lambda (lambda calculus), chứng minh của Turing được coi là dễ hiểu và trực giác hơn. Chứng minh của ông còn nổi tiếng về đề bạt một cái "máy Turing vạn năng" (Universal (Turing) Machine), một ý tưởng rằng một cái máy như vậy có thể làm bất cứ việc gì mà các máy khác phải làm. Bài viết còn giới thiệu quan niệm về số khả định (definable number).

Hầu hết thời gian giữa năm 1937 và 1938, ông cư trú tại Đại học Princeton, nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Alonzo Church. Năm 1938, ông đạt được bằng Tiến sĩ tại trường này. Luận văn của ông giới thiệu quan niệm tính toán tương đối (relative computing). Trong quan niệm này, nhiều máy Turing được ghép lại, trở thành một cái máy tiên tri (oracle machine), cho phép nghiên cứu những phương trình không thể giải được nếu chỉ sử dụng một cái máy Turing mà thôi.

Sau khi quay trở lại Cambridge vào năm 1939, ông thính dự giảng đường của Ludwig Wittgenstein về nền tảng của toán học (foundations of mathematics). Hai người tranh cãi và bất đồng ý kiến một cách kịch liệt. Trong khi Turing bảo vệ lập trường của chủ nghĩa hình thức (formalism), thì Wittgenstein lại tranh cãi rằng toán học được đánh giá quá mức, và bản thân nó không thể tìm ra bất cứ một chân lý cuối cùng nào (absolute truth) (Wittgenstein 1932/1976).


Giải mật mã
Hầu hết thời gian giữa năm 1937 và 1938, ông cư trú tại Đại học Princeton, nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Alonzo Church. Năm 1938, ông đạt được bằng Tiến sĩ tại trường này. Luận văn của ông giới thiệu quan niệm tính toán tương đối (relative computing). Trong quan niệm này, nhiều máy Turing được ghép lại, trở thành một cái máy tiên tri (oracle machine), cho phép nghiên cứu những phương trình không thể giải được nếu chỉ sử dụng một cái máy Turing mà thôi.
Sau khi quay trở lại Cambridge vào năm 1939, ông thính dự giảng đường của Ludwig Wittgenstein về nền tảng của toán học (foundations of mathematics). Hai người tranh cãi và bất đồng ý kiến một cách kịch liệt. Trong khi Turing bảo vệ lập trường của chủ nghĩa hình thức (formalism), thì Wittgenstein lại tranh cãi rằng toán học được đánh giá quá mức, và bản thân nó không thể tìm ra bất cứ một chân lý cuối cùng nào (absolute truth) (Wittgenstein 1932/1976).

Máy bombe của Turing và Welchman

Chỉ trong vài tuần sau khi đến Bletchley Park[2], Turing đã sáng chế ra một cái máy cơ-điện tử (electromechanical machine) giúp vào việc giải mã máy Enigma, đặt tên là máy bombe, lấy tên theo cái máy "bomba" được sáng chế tại Ba Lan. Máy bombe, với một nâng cấp được đề bạt bởi nhà toán học Gordon Welchman, trở thành dụng cụ chủ yếu dùng để đọc nguồn tin truyền qua lại từ máy Enigma.

Máy bombe dò tìm công thức cài đặt của khối quay trong máy Enigma, và nó cần phải có một bộ mã (crib), tức là một dòng chữ chưa mã hóa và một dòng mật mã tương ứng. Với mỗi dự kiến cài đặt của khối quay, máy bombe hoàn thiện một chuỗi các tiến trình suy luận lôgic, dựa vào bộ mã, dùng các cấu kết mạch điện tử đã được lắp ráp. Máy bombe lùng tìm và phát hiện mâu thuẫn khi nó xảy ra, loại bỏ công thức cài đặt gây nên sự mâu thuẫn ấy, rồi tiếp tục lùng tìm một công thức khác, hợp lý hơn. Đa số các công thức cài đặt khả quan đều gây nên sự mâu thuẫn, và bị loại bỏ, chỉ để lại một số ít các công thức khả dĩ để được nghiên cứu chi tiết hơn. Máy bombe của Turing lần đầu tiên được lắp ráp vào ngày 18 tháng 3 năm 1940. Có đến trên 200 cái máy bombe như vậy vẫn đang hoạt động khi chiến tranh kết thúc

Hut 8 và máy Enigma của hải quân Đức


Hai gian nhà trong sân trước chuồng ngựa tại Bletchley Park. Turing đã từng làm việc tại đây trong những năm 1939–1940 cho đến khi ông chuyển sang Hut 8
Vào tháng 12 năm 1940, Turing khám phá ra hệ thống chỉ thị của máy Enigma của hải quân Đức, một hệ thống chỉ thị phức tạp hơn tất cả các hệ thống chỉ thị khác đang được dùng bởi các chi nhánh trong quân đội. Turing cũng sáng chế ra công thức xác suất Bayes (Bayesian), một kỹ thuật trong thống kê được đặt tên là "Banburismus", để giúp vào việc giải mã Enigma của hải quân Đức. Banburismus cho phép loại bỏ một số công thức cài đặt của khối quay của máy Enigma, giảm lượng thời gian kiểm nghiệm các công thức cài đặt cần thiết trên các máy bombe.
Vào mùa xuân năm 1941, Turing đính hôn với một nhân viên cùng làm việc tại Hut 8, tên là Joan Clarke, nhưng chỉ đến mùa hè, cả hai đã thoả thuận hủy bỏ cuộc hôn nhân.

Tháng 7 năm 1942, Turing sáng chế ra một kỹ sảo, đặt tên là Turingismus hoặc Turingery, dùng vào việc chống lại máy mật mã Lorenz. Rất nhiều người lầm tưởng rằng Turing là một nhân vật quan trọng trong việc thiết kế máy tính Colossus, song điều này không phải là một sự thật [3].

Tháng 11 năm 1942, Turing du lịch sang Mỹ và bắt liên lạc với những nhân viên phân tích mật mã của hải quân Mỹ tại Washington, D.C., thông báo cho họ biết về máy Enigma của hải quân Đức, cùng với sự việc lắp ráp máy bombe. Ông đồng thời trợ lý việc kiến tạo các công cụ truyền ngôn bảo mật (secure speech) tại Bell Labs. Tháng 3 năm 1948, ông quay trở lại Bletchley Park. Trong khi ông vắng mặt, Hugh Alexander thay thế ông làm trưởng phòng Hut 8, tuy trên thực tế Hugh Alexander đã nắm quyền trưởng phòng trong một thời gian khá lâu. Turing rất ít quan tâm đến việc quản lý công việc hằng ngày của bộ phận. Turing trở thành cố vấn chung về phân tích mật mã tại Bletchley Park.

Trong những ngày sau rốt của chiến tranh, ông tự trau dồi về công nghệ điện tử, trong khi chịu trách nhiệm (được sự hỗ trợ của kỹ sư Donald Bayley) thiết kế một cái máy di động - mật hiệu là Delilah - cho phép thông tin truyền âm bảo mật (secure voice). Với xu hướng ứng dụng trong các công dụng khác, máy Delilah thiếu khả năng truyền sóng radio trường tuyến (long-distance radio transmission), và không được sử dụng trong chiến tranh vì sự hoàn thành của nó quá muộn. Tuy Turing đã thao diễn chức năng của máy cho các quan chức cấp trên, bằng cách mật mã hóa và giải mã một bản ghi âm lời nói của Winston Churchill, máy Delilah vẫn không được chọn và sử dụng.

Trong năm 1945, Turing đã được tặng huy chương OBE (Order of the British Empire) vì thành tích phục vụ trong cuộc chiến tranh.


Những máy tính đầu tiên và kiểm nghiệm của Turing

Từ năm 1945 đến năm 1947, Turing đã làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (National Physical Laboratory). Tại đây, ông thiết kế máy tính ACE (Automatic Computing Engine - Máy tính tự động). Ngày 19 tháng 2 năm 1946, ông đệ trình một bản thiết kế hoàn chỉnh đầu tiên của Anh về máy tính với khả năng lưu trữ lập trình (xem kiến trúc Von Neumann). Tuy ông đã thành công trong việc thiết kế máy ACE, song do những trì hoãn trong việc khởi công đề án, ông trở nên thất vọng và chán nản. Cuối năm 1947, ông quay trở lại Cambridge, bắt đầu một năm nghỉ ngơi của mình (sabbatical year). Trong khi ông đang nghỉ ngơi tại Cambridge, công việc xây dựng máy ACE đã bị huỷ bỏ hoàn toàn, trước khi nó được khởi công xây dựng. Năm 1949, ông trở thành phó giám đốc phòng thí nghiệm máy tính (computing laboratory) của Đại học Manchester, và viết phần mềm cho một trong những máy tính đầu tiên — máy Manchester Mark I. Trong thời gian này, ông tiếp tục làm thềm những công việc trừu tượng, và trong bài viết "Vi tính máy móc và trí thông minh" (Computing machinery and intelligence) - tờ Mind, tháng 10 năm 1950 - ông nói đến vấn đề về "trí tuệ nhân tạo" (artificial intelligence) và đề đạt một phương thức kiểm nghiệm, mà hiện giờ được gọi là kiểm nghiệm Turing (Turing test), một cố gắng định nghĩa tiêu chuẩn cho một cái máy được gọi là "có tri giác" (sentient).
Năm 1948, Turing, hiện đang làm việc với một người bạn học cũ, D.G. Champernowne, bắt đầu viết một chương trình đánh cờ vua cho một máy tính chưa từng tồn tại. Năm 1952, tuy thiếu một máy tính đủ sức để thi hành phần mềm, Turing đã chơi một ván cờ. Trong ván cờ này, ông bắt trước cái máy tính, đợi nửa tiếng đồng hồ trước khi đi một quân cờ. Ván cờ đã được ghi chép lại; phần mềm thua người bạn đồng hành của Turing, Alick Glennie, song lại thắng người vợ của ông Champernowne.

Tạo mẫu hình và sinh toán học

Turing nghiên cứu vấn đề sinh toán học (mathematical biology) từ năm 1952 cho đến khi qua đời năm 1954, đặc biệt về hình thái học (morphogenesis). Năm 1952, ông đã cho xuất bản một bài viết về vấn đến này, dưới cái tên "Cơ sở hoá học của hình thái học" (The Chemical Basis of Morphogenesis). Điểm trọng tâm thu hút sự chú ý của ông là việc tìm hiểu sự sắp xếp lá theo chu trình của dãy số Fibonacci, sự tồn tại của dãy số Fibonacci trong cấu trúc của thực vật. Ông dùng phương trình phản ứng phân tán, cái mà hiện nay là trung tâm của nghành Tạo mẫu hình (pattern formation). Những bài viết sau này của ông không được xuất bản, cho mãi đến năm 1992, khi loạt các cuốn "Những nghiên cứu và sáng chế của A.M. Turing" (Collected Works of A.M. Turing) được xuất bản.