Tekla
5 °C
19 °C

Díszpáholy az örökkévalóságban

2012.06.23. 08:33
A szövetségesek oldalán nagyban hozzájárult a második világháború megnyeréséhez, beszédtitkosító katonai telefont tervezett, és mindenkit megelőzve sakkozó gépet fejlesztett. Elméleti megoldásait mai napig használják a számítástudományokban, morfogenetikai kutatási eredményei pedig máig relevánsak. Alan Turing hagyatéka csak a legnagyobb zsenikéhez fogható.

Alan Turing életművének egy-egy fejezete önmagában is elegendő lenne ahhoz, hogy zseninek nevezzük, de a matematikus nem túl hosszú élete alatt több területen is maradandót alkotott. A Wired részletes cikkben összegezte Turing gazdag hagyatékát, aki kódfejtő berendezést, katonai kommunikációs eszközöket és komplex számítógépeket tervezett.

Megnyerte a világháborút

A második világháború idején, 1940 és 1941 között a németek tengeralattjáró-flottája megtizedelte a szövetségesek hajóállományát. A tengeri ütközetekben több ezer kereskedelmi célú tengerjáró veszett oda, Winston Churchill később meg is jegyezte, hogy az Unterseeboot jelentette veszély volt az egyetlen dolog, ami halálra rémítette a háború alatt. Hogy a helyzet 1943-ra megváltozhatott, az elsősorban Turingnak köszönhető, aki addigra kifejlesztette a Naval Bombe nevű kódfejtő berendezést, amellyel megfejthetővé váltak a német haditengerészet kódolt üzenetei. Churchill később úgy fogalmazott, Turing járult hozzá a legnagyobb mértékben ahhoz, hogy a szövetségesek megnyerhessék a háborút.

Egy megmaradt Enigma kódfejtőgép
Egy megmaradt Enigma kódfejtőgép

A német kódoló és kódvisszafejtő Enigma gép összetettsége sokáig megoldhatatlan problémát jelentett a szövetségeseknek. Az elektromágneses gép a levelek szövegét véletlenszerűen kiválasztott betűkre cserélte, amelyet a gépben lévő rotorok egyedi beállításával szabályoztak. A gép alkatrészeit több milliárd lehetséges állásba lehetett kapcsolni, így a levéltitkot megfejtő kombináció kitalálása gyakorlatilag lehetetlen volt; az eredeti beállítások ismerete nélkül lehetetlen volt visszafejteni az eredeti szöveget. A németek ráadásul a háború előrehaladtával egyre több alkatrésszel bővítették a gépet, ami így egyre komplexebbé, a kód megfejtése pedig egyre reménytelenebbé vált.

A lengyel titkosszolgálat ügynökeinek sikerült megszerezniük egy Enigmát; a Bombe korai prototípusa ennek alapján készült el. Eredményeiket megosztották a brit hírszerzéssel is, így Turing és kollégája, Gordon Welchman erre alapozhattak a Bletchley Parknál végzett munkájuk során. Turing végül feltörte a rendszert, mivel észrevette, hogy a kódolt üzenetek többnyire kiszámítható szavakat tartalmaztak; a katonai tisztviselők rendfokozata és teljes neve például mindig ugyanazon a ponton szerepelt a levelekben.

Turing számára ez volt a kiindulópont; megfigyelte, hogy az egyes karakterek hol tűnnek fel, így a kódfejtés hamarosan egy kódszavakból álló kirakós játékra kezdett emlékeztetni. A kódfejtő gép automatikusan felismerte az Enigma alkatrészeinek lehetséges állásait, és kizárta azokat a kombinációkat, amik nem adták volna ki az ismert karaktereket a megfelelő sorrendben. Végül matematikai alapon sikerült azonosítani a rotorok helyes pozícióját, így a kód megfejthetővé vált.

A matematikus terve végig erre az elméleti alapra épült. A következő generációs kódfejtő gépek mind ezt az elméletet felhasználva készültek el, így Welchman és társai sikerrel használhatták őket. A technológia egyre kifinomultabbá vált, a kódfejtés tempója pedig a háború végére jelentősen megugrott.

Forró drót

A Bletchley Parknál Turing nem csak az Enigma kódjának feltörésével foglalkozott. A matematikus 1942-ben ellátogatott a Bell Labs telefonvállalathoz, és az ott szerzett tapasztalataira alapozva fejlesztett egy, a telefonbeszélgetések titkosítására alkalmas készüléket is.

Colossus, a német titkosítás feltörésére tervezett elektronikus számítógép a Bletchley Park-i bázison (kattintson a fotóra nagyképes válogatásunk megtekintéséhez!)
Colossus, a német titkosítás feltörésére tervezett elektronikus számítógép a Bletchley Park-i bázison (kattintson a fotóra nagyképes válogatásunk megtekintéséhez!)
Fotó: The National Archives

A Deliah kódnevű beszédtitkosító berendezés terveit a brit kormány sosem használta fel, de Turing eljuttatta a terveket a Bell Labsnek, akik akkoriban dolgoztak a legfelsőbb szintű katonai kommunikációt titkosító SIGSALY-n. Erre szükségük is volt, mivel akkoriban a távolsági beszélgetésekhez az AT&T A-3-as titkosítási protokollt használták, ezt azonban a németek a holland partoknál elhelyezett figyelőállomásokkal összezavarhatták. A SIGSALY építéséhez a Bell Labs felhasználta Turing terveit is, így biztosítani tudták a zavartalan és biztonságos kommunikációt a magas rangú katonai tisztviselők számára.

Mesterséges értelem

A háború után Turing az MI6-nél, a brit titkosszolgálat kutatási részlegénél kezdett dolgozni a Hanslope Parkban. Itt, saját szavaival élve, egy agyat próbált építeni: egy olyan gépet, amely annyira fejlett, hogy összetett matematikai feladványok kiszámítására is képes, és nem csupán az egyenletek megoldásában támogathatja a kutatókat.

Az Automatic Computing Engine (ACE) terveit a National Physics Laboratory (NPL) igazgatótanácsának mutatta be 1945-ben, a projekt összköltségét 11 200 fontra becsülte. A tervet az NPL túl grandiózusnak tartotta, ők egy kevésbé komplex áramkörökre épülő verziót terveztek volna a gépből. Turing emiatt otthagyta az NPL-t, és egy másik számítógépen, a Mark 1-on kezdett el dolgozni a Manchester Egyetemen.

A Pilot ACE, vagyis a Turing terveire épülő számítógép korai verziója végül az Egyesült Királyság első elektronikus számítógépe lett. A Pilot ACE korának leggyorsabb számítógépe volt, noha a számítási sebessége az 1 megaherzet is nehezen érte el, és az akkoriban használt higany-késleltetővonalas memóriamodulok egyenként csupán 32 bit információt tudtak elraktározni.

A Pilot ACE-ből, amely a világ öt első számítógépének egyike volt, csupán harminc darab készült, de 1958-ra a Turing terveire alapuló végleges változatot is megépítették. Az ACE volt az alapja a MOSAIC (Ministry of Supply Automatic Integrator and Computer) számítógépnek, amivel a hidegháború idején a légiforgalmat figyelték, hogy kiszámíthassák a repülőgépek pályáját. Ugyancsak az ACE alapjaira épült a Bendix G-15, a világ első személyi számítógépe.

Maradandó elméleti tézis

A Turing-gép elméleti alapjait a matematikus még 1936-ban fektette le; ezt algoritmikus számításokra lehetett volna használni. Turing és tanulmányi konzulense, Alonzo Church nevéhez fűződik a a számításelmélet egyik sejtése, a Church-Turing tézis, mely szerint minden formalizálható probléma, ami megoldható algoritmussal, az megoldható Turing-géppel, illetve bármilyen, a Turing-gép fogalmával azonos számítási teljesítményű absztrakt modellel, például lambda-kalkulussal is.

A fiatal Alan Turing
A fiatal Alan Turing

Noha a Turing-gép csupán elméleti síkon létezik, a számítástudományokra gyakorolt hatása mégis jelentős. Az információt egy hosszú szalagon táplálták volna a gépbe, amelyeket a gép egyesével olvasott volna be, majd egy előre kódolt algoritmus alapján feldolgozta volna az adatokat. A gép jelentősége abban rejlett, hogy elméletben ez volt az első eszköz, amelynek a működését a memóriában tárolt program határozta volna meg, nem pedig a gép kábelezése vagy mechanikai felépítése. Turing és Church elméletben megalkották az univerzális Turing-gépet is, amely bármilyen algoritmikus funkciót képes értelmezni és ellátni.

A Turing-gépeket ma is használják a számítástudományban, többek között az oktatásban: a tanárok ezzel szokták modellezni a processzorok működését. A modern számítástechnikában ugyancsak használják a Turing-teljesség elvét is, mivel egy számítógép Turing-teljességének csak a memória mennyisége szabhat határt.

Hív a természet

Csupán 1954-ben bekövetkezett halála után kezdték el közzétenni Turing morfogenézissel kapcsolatos kutatási eredményeit; az utolsó dokumentumokat csak a kilencvenes években hozták nyilvánosságra. Ennek ellenére Turing több évtizeddel ezelőtti megfigyelései is helytállónak bizonyultak.

A morfogenézis az a folyamat, melynek során a többsejtű élőlények formája megváltozik növekedés közben. Turing 1951-es tanulmánya, a Chemical Basis of Morphogenesis megemlíti, hogy egyes biológiai sajátosságok, például a zebra csíkjai, már a fejlődés korai szakaszában is kialakulhatnak az anyaméhben. A matematikus nem csupán az állatvilág megfigyelésével foglalkozott; mindig csodálta a növények szirmainak és magjainak kialakítását, valamint az, hogy egyes növények szerkezeti felépítésénél a Fibonacci-számsor és a Fibonacci-spirál matematikai törvényszerűségei is felfedezhetők. Ez megfigyelhető a napraforgómagok, a málnaszemek a karfiolrózsák és egyes kaktuszok tüskéinek elrendezésénél is.

E2 E4

A sakkozó gép tervezésekor Turing ismét meghaladta a korát. Az első számítógépes sakkprogram ugyanis a matematikus nevéhez fűződik, még akkor is, ha a kísérlet nem bizonyult eredményesnek. Mesterségesintelligencia-kutatási programja részeként Turing egy korábbi munkatársával, D. G. Champernowne-nal együtt 1950-ben írta meg a Turbochamp nevű programot, amelyet először a Manchester Egyetemnél épített Mark 1 számítógépen próbált futtatni – sikertelenül.

Nézze meg nagyképes összeállításunkat a képre kattintva!
Nézze meg nagyképes összeállításunkat a képre kattintva!
Fotó: Andreas Feininger

Turing ezért átvette a gép helyét: 1952 nyarán barátja és kollégája, Alick Glennie ellen játszott egy sakkpartit, ahol Turing a saját lépéseit saját programjára alapozva számította ki. Ez kissé hosszadalmassá tette a játszmát, mivel minden lépés kiszámításához fél órára volt szükség. Eleinte úgy tűnt, hogy a Turbochamp képes felvenni a versenyt Glennie-vel, de hamar alulmaradt: Glennie huszonkilenc lépésből győzött a gép ellen. Champernowne tapasztalatlanabb felesége viszont alulmaradt a programmal szemben. Az első működőképes sakkprogram végül 1957-ben készült el; ez Alex Bernstein nevéhez fűződik, aki egy IBM 704-es számítógépen futtatta a programot.