Claude Shannon – Elämäkerta, historia ja keksinnöt

Claude Shannon on kuuluisa yhdysvaltalainen matemaatikko, elektroniikkatekniikan insinööri ja geneetikko, jota joskus kutsutaan informaatioteorian isäksi.

Claude Elwood Shannon (1916-2001) oli erinomainen oppilas, ja saatuaan vuonna 1936 kaksi kandidaatin tutkintoa (toisen sähkötekniikassa ja toisen matematiikassa) Michiganin yliopistosta hän aloitti jatko-opinnot Massachusetts Institute of Technologyssä (MIT), jossa hän suoritti sähkötekniikan maisterin tutkinnon ja matematiikan tohtorin tutkinnon vuonna 1940. MIT:ssä ollessaan hän työskenteli Vannevar Bushin differentiaalianalysaattorin parissa (mekaaninen analoginen tietokone, joka oli suunniteltu ratkaisemaan differentiaaliyhtälöitä integroimalla).

Tutkiessaan differentiaalianalysaattorin mutkikkaita virtapiirejä Shannon huomasi, että Boolen käsitteitä voitiin käyttää siinä erittäin hyödyllisesti. American Institute of Electrical Engineers -lehden Transactions of the American Institute of Electrical Engineers -julkaisun vuoden 1938 numerossa hän julkaisi artikkelin, joka oli peräisin hänen vuonna 1937 tekemästään maisterintutkielmasta A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Tämä artikkeli toi Shannonille Alfred Noble American Institute of American Engineers -palkinnon vuonna 1940. Jotkut kutsuivat Shannonin väitöskirjaa mahdollisesti vuosisadan tärkeimmäksi ja myös kuuluisimmaksi maisterintutkielmaksi

Kirjoituksessaan Shannon osoitti, että Boolen algebraa ja binääriaritmetiikkaa voitiin käyttää yksinkertaistamaan puhelinreitityskytkimissä tuolloin käytettävien sähkömekaanisten releiden järjestelyjä, käänsi sitten käsitteen ylösalaisin ja osoitti myös, että releiden järjestelyjä pitäisi voida käyttää Boolen algebran ongelmien ratkaisemiseen. Tämän sähkökytkimien ominaisuuden hyödyntäminen logiikan toteuttamisessa on kaikkien elektronisten digitaalisten tietokoneiden perustana oleva peruskonsepti. Shannonin työstä tuli käytännön digitaalisten piirien suunnittelun perusta, kun se tuli laajalti tunnetuksi sähkötekniikan parissa toisen maailmansodan aikana ja sen jälkeen. Shannonin työn teoreettinen tarkkuus korvasi täysin aiemmin vallalla olleet ad hoc -menetelmät.

Vuonna 1940 Shannonista tuli kansallinen tutkija (National Research Fellow) Institute for Advanced Study -instituutissa Princetonissa, New Jerseyssä. Princetonissa Shannonilla oli tilaisuus keskustella ajatuksistaan vaikutusvaltaisten tiedemiesten ja matemaatikkojen, kuten Hermann Weylin ja John von Neumannin, kanssa. Shannon työskenteli vapaasti yli tieteenalarajojen ja alkoi muotoilla ajatuksia, joista tuli informaatioteoria.

Toisen maailmansodan aikana Shannon työskenteli Bell Labsissa tulenjohtojärjestelmien ja salauksen parissa. Vuonna 1943 hän joutui kosketuksiin kuuluisan brittiläisen matemaatikon ja kryptoanalyytikon Alan Turingin kanssa, joka oli tuolloin Washingtonissa kertomassa Yhdysvaltain laivaston kryptoanalyyttiselle yksikölle menetelmistä, joita Britannian hallituksen koodi- ja salakirjoituskoulu käytti saksalaisten salakirjoitusten murtamiseen. Turing näytti Shannonille vuonna 1936 ilmestyneen uraauurtavan artikkelinsa On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem, jossa määriteltiin nykyisin Universal Turing machine -nimellä tunnettu kone, mikä teki Shannoniin vaikutuksen, sillä monet siinä esitetyistä ideoista täydensivät hänen omia ajatuksiaan.

Vuonna 1948 Shannon julkaisi toisen uraauurtavan artikkelin A Mathematical Theory of Communication. Tässä artikkelissa hän määritteli informaatioteorian aiheen ja ehdotti lineaarista kaavamaista mallia viestintäjärjestelmästä, mikä oli uusi ajatus. Viestinnän ajateltiin tuolloin edellyttävän sähkömagneettisten aaltojen lähettämistä johtoa pitkin. Ajatus siitä, että kuvia, sanoja, ääniä jne. voitaisiin välittää lähettämällä 1:n ja 0:n virtoja johtoa pitkin. Shannon esitteli ensimmäistä kertaa sanan bitti ja osoitti, että lisäämällä ylimääräisiä bittejä signaaliin voitiin korjata lähetysvirheet. Hän oli henkilö, joka näki, että binääriluku oli kaiken viestinnän peruselementti. Tämä oli oikeastaan hänen keksintönsä, ja siitä on lähtenyt koko tietoliikenteen vallankumous.

Shannonin artikkelin ajatukset saivat pian tietoliikenneinsinöörit ja matemaatikot ympäri maailmaa. Niitä kehitettiin, laajennettiin ja täydennettiin uusilla asiaan liittyvillä ideoilla. Aihe kukoisti ja kasvoi monipuoliseksi ja jännittäväksi luvuksi tieteen aikakirjoissa.

Shannonin myöhemmissä töissä tarkasteltiin tekoälyn ideoita. Vuonna 1950 hän julkaisi uraauurtavan artikkelin tietokoneshakista otsikolla Programming a Computer for Playing Chess, joka johti Los Alamosin MANIAC-tietokoneen ensimmäiseen täydelliseen peliin vuonna 1956. Samana vuonna 1950 hän loi elektronisen hiiren Theseuksen (ks. viereinen kuva), joka pystyi ratkaisemaan sokkelo-ongelmia. Se oli magneettinen hiiri, jota ohjattiin relepiirillä, jonka avulla se pystyi liikkumaan 25 ruudun sokkelossa. Labyrintin kokoonpano oli joustava, ja sitä voitiin muuttaa mielensä mukaan. Hiiri oli suunniteltu etsimään käytäviä, kunnes se löysi kohteen. Kun hiiri oli kulkenut sokkelon läpi, se sijoitettiin mihin tahansa paikkaan, jossa se oli aiemmin ollut, ja aikaisemman kokemuksensa ansiosta se saattoi mennä suoraan kohteeseen. Jos hiiri sijoitettiin tuntemattomalle alueelle, se ohjelmoitiin etsimään, kunnes se saavutti tunnetun paikan, minkä jälkeen se eteni kohteeseen ja lisäsi uuden tiedon muistiinsa ja oppi näin. Shannonin hiiri näyttää olleen ensimmäinen laatuaan oppiva laite.

Shannon sovelsi keksijäneroaan myös muilla aloilla, esimerkiksi keksi kaksipaikkaisen version rakastamastaan yksipyöräisestä polkupyörästä, ja lienee totta, että kukaan ei ollut innokas jakamaan sitä hänen kanssaan. Myöhempi keksintö, yksipyöräinen polkupyörä, jossa oli epäkeskonapa, sai ihmiset ulos käytäville katsomaan, kun hän ajoi sillä ja keikkui ylös ja alas kuin ankka.