他发出的信号与世长存

【美国《科学美国人》网站10月21日文章】题：信息理论创始人克劳德·E·香农（作者　格雷厄姆·P·柯林斯）
量子信息科学是一个新兴的领域，大量的研究人员正在为这门新兴的学科奠定基础。但传统信息科学却是在大约50年前从克劳德·E·香农的工作开始发展起来的。香农1948年在贝尔实验室起草了一份里程碑式的文件，用数学术语确定了信息是什么和信息应当怎样传输。一直被认为是完全不同的通讯模式———电报、电话、无线电和电视——被统一在一个框架中。
创建信息编码与纠错技术
香农1916年出生于密歇根州佩托斯基，父亲是法官，母亲是教师。在众多的发明尝试中，他在自己的家和朋友家之间架了一条电报线。香农1936年毕业于密歇根大学，获电气工程和数学学位，然后进麻省理工学院深造，在那里，他师从计算机先驱万尼瓦尔·布什，并有机会在一台模拟计算机上工作。
人们认为香农在麻省理工学院的电气工程方面的博士论文是20世纪最重要的论文。在这篇论文中，22岁的香农阐明如何利用电路的开启和关闭进行19世纪数学家乔治·布尔的逻辑演算。数字化计算机的这一最基本的特征（用开或关代表“真”或“假”和“0”或“1”，并且利用电子逻辑门作决定和进行演算）可以追溯到香农在这篇博士论文中提出的见解。
1941年，已经获得博士学位的香农来到贝尔实验室，从事跟战争有关的研究，其中包括密码技术。他还悄悄地研究信息和通信方面的理论。1948年，他的研究成果分两部分发表在贝尔实验室研究刊物上。
香农用一个类似于确定物理学热力熵的方程式来确定一个源所产生的信息数量———例如一条信息中的信息数量。用最基本的术语来说，香农的信息熵是一些把一条信息进行编码所需要的二进位制信息单元。今天，这看起来似乎是一种用来确定一条信息中有多少信息的简单甚至明显的方法。但是，在1948年，在信息时代刚刚开始的时代，这种把任何种类的信息都用数字来表示的方法是一个革命性的步骤。香农在研究报告中首次使用了“比特”———二进位制信息单元的缩写——这个词。
除了确定信息外，香农还分析了通过通信道发送信息的能力。他发现，一条通信道有不可超过的最大传输率。现在我们把它称作频宽。香农用数学方式证明，即使是在一条有噪声的窄频通信道上，只要使传输率保持在频宽范围内并且采用纠错方案，照样可以进行完美的无差错通信。
现在，从调制解调器到音乐激光唱片，每一样东西都离不开纠错功能。量子信息科学家所取得的一项重大成果就是开发在量子信息中使用的纠错技术和确定用一条噪声量子通信道能发送多少信息的技术。
验证信息安全传输理论
香农创建和推广了信息理论，一年后他又发表一篇论文，证明不可破译的密码是可能的。（他的这篇论文是在1945年发表的，但这在当时是保密的。）该方案被称作一次性密码或凡尔南密码，这是根据在第一次世界大战快要结束时发明该编码方式的阿尔伯特·凡尔南的名字命名的。这种编码方式是用随机数字把信息编成密码。只要信息编成密码，就需要一个随机解码本，而且任何解码本都不得两次使用。香农的贡献是证明这种密码是不可破译的。到目前为止，除此之外还没有一种密码是不可破译的。
一次性密码的问题是，通信双方必须各有一本密码本，而且这种密码本不能让间谍或窃听者知道。量子密码技术———可能更多的时候叫量子密码本配送技术———解决了这个问题。这一技术产生只有量子通信道两端才能辨认的随机密码本。量子物理学确保无人能窃听或了解有关密码本的任何信息：任何鬼鬼祟祟的试探都会扰乱微妙的相互关系从而被检查出来，这跟有噪声通信道数据传输的纠错检查是一个道理。
建立在凡尔南编码和量子密码本配送技术基础上的密码是非常安全的：量子物理学确保密码本的安全，而香农定理证明这种密码方法是不可破译的。
确立计算机下棋的编程原则
在贝尔实验室（后来于1958年回到麻省理工学院直到1978年退休），香农由于喜欢骑独轮车和跑步而出名。他喜欢摆弄机械装置，曾经装了一只能钻迷宫的机械鼠和一台用罗马数字计算的计算机。在1950年，他为《科学美国人》写了一篇有关为会下棋的计算机编制程序的原则的文章。
在20世纪90年代，香农不幸得了阿耳茨海默氏症（早老性痴呆症），也就是说，在他的大脑中，通往记忆的通信道逐渐衰退直至有意义的信号再也不能通过，频宽逐渐变窄直至完全堵塞。克劳德·E·香农这架特殊的信息处理器由于热力熵的逐渐侵蚀而于2001年2月停止了工作。但是，香农发出的某些信号却与世长存，这些信号表现在我们现实生活中不可或缺的信息技术中。

香农设计的电动机械鼠“忒修斯”会钻进迷宫