姚期智：中國圖靈之路已走了三分之一
姚期智：中國圖靈之路已走了三分之一
2008年07月21日 來源: 科學(xué)時報 瀏覽次數(shù): 0
“圖靈獎（A. M. Turing Award）和太太是我人生最成功的兩件事。”姚期智于1972年獲得美國哈佛大學(xué)物理博士學(xué)位，本以為終身投入物理研究，卻在美國遇到了研究數(shù)學(xué)、后來成為他妻子的儲楓，耳濡目染下，姚期智開始接觸計算機科學(xué)，并有感計算機比物理學(xué)更適合自己發(fā)展，于是在1973年轉(zhuǎn)投這門科學(xué)。
?自1975年獲得美國伊利諾伊大學(xué)計算機科學(xué)博士學(xué)位，姚期智在理論計算機領(lǐng)域作研究至今，曾先后在美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、普林斯頓大學(xué)等著名學(xué)府擔(dān)任教授，從事教學(xué)及研究工作。多年來，姚期智以其敏銳的科學(xué)思維，在數(shù)據(jù)組織、密碼學(xué)、通信復(fù)雜性乃至量子通信和計算等多個尖端科研領(lǐng)域，都作出了巨大而獨到的貢獻(xiàn)，曾獲美國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會George Polya獎，美國計算機協(xié)會算法與計算理論分會（ACM SIGACT）Donald E.Knuth獎等榮譽。全球首要計算機協(xié)會（ACM）在2000年授予姚期智圖靈獎。姚期智是圖靈獎創(chuàng)立以來首位獲獎的亞裔學(xué)者，也是迄今為止獲此殊榮的唯一華裔計算機科學(xué)家。圖靈獎是世界計算機科學(xué)領(lǐng)域的最高獎項，與物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獎齊名。
?2004年姚期智離開普林斯頓大學(xué)，到清華大學(xué)任全職教授。
姚期智在清華演講現(xiàn)場。 郭海軍/攝
“能否短期內(nèi)在中國建設(shè)出世界一流大學(xué)？能否在中國培養(yǎng)出諾貝爾獎得主？” 從計算機科學(xué)的角度，這個問題可以轉(zhuǎn)換成“能否短期內(nèi)在中國建設(shè)一流計算機學(xué)科？能否在中國培養(yǎng)出圖靈獎得主？”
?7月7日，姚期智在清華論壇第十四講中回答：“在國家有關(guān)部門和清華的大力支持下，答案是肯定的。我們正在清華做，圖靈之路已走了三分之一。”姚期智用自己回國4年在清華教書、辦學(xué)的經(jīng)歷，并結(jié)合在美國大學(xué)工作的經(jīng)驗，從實際的角度探討了國人廣泛關(guān)注的“世界一流”問題。
?姚期智認(rèn)為，在中國，大家對一流大學(xué)的討論多集中在中國文化、制度層面上，更多看到的是不利因素，很少注意到中國特有的優(yōu)勢。一流大學(xué)最主要的是一流學(xué)科的集合，是教育出一流的本科生、博士生并產(chǎn)生一流的研究成果，在這方面中國有其自身特有的優(yōu)勢?，F(xiàn)在可探討：在現(xiàn)代中國有什么優(yōu)勢，然后怎么利用優(yōu)勢，避開文化和制度的爭議，提出一個具體的思路和方案，循序漸進(jìn)地建設(shè)中國圖靈之路。
?“我所學(xué)的東西正好適合做一個先鋒的工作，如果我已經(jīng)成功地讓你覺得很有說服力的話，那么我來講一下，什么樣的工作和創(chuàng)新，可以使你贏得圖靈獎，什么樣的工作是一個一流的計算機科學(xué)家所應(yīng)該做的。”姚期智介紹，理論計算機科學(xué)在整個計算機科學(xué)里是個不小的單位，同時，國際上任何一個出色的計算機系都有出色的理論計算機團隊。從科學(xué)上出名的角度來講，做理論計算機科學(xué)是一個很有地位的領(lǐng)域；從一個更實際的觀點來看，理論計算機科學(xué)可為計算機科學(xué)提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)基礎(chǔ)。“計算機科學(xué)最大的特點是在過去30年日新月異，不斷有新的應(yīng)用，每一次有新的發(fā)展都需要用數(shù)學(xué)的工具來了解問題是什么，怎樣能用最好的方法加以解決。它不斷對新的數(shù)學(xué)工具提出需求，而理論計算機科學(xué)家從事的正是這方面的工作。”
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理論計算機科學(xué)的重要性
理論計算機科學(xué)的作用在于不僅為計算機科學(xué)提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)基礎(chǔ)，它用數(shù)學(xué)工具來建模新的領(lǐng)域，并具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用。姚期智介紹，麻省理工學(xué)院的計算機實驗室差不多有90多位教授，實驗室主任是一位華裔教授，這個實驗室在研究上劃為3個領(lǐng)域：人工智能（比較廣義的范疇，包括機器人、圖形學(xué)等）、系統(tǒng)（計算機結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)，是傳統(tǒng)計算機學(xué)科）、理論（算法、 信息安全等）。從教授所占的比例來看，大概有20%以上從事理論研究。
?理論計算機科學(xué)的重要，也可以從圖靈獎得主的領(lǐng)域分布看出來。自1966年以來產(chǎn)生了42屆圖靈獎得主，其中有10位從事理論計算機研究，所占比例同樣在20%以上。
?“理論計算機科學(xué)最核心的問題就是算法。如果你有很好的商業(yè)機會和商業(yè)頭腦的話，算法馬上就可以變成應(yīng)用。在我們理論理論計算機科學(xué)研究的同事里面，有些非常有才能的教授后來都變成了創(chuàng)業(yè)家。”姚期智舉例說：“比如Google，最核心的技術(shù)就是一個算法。所以，理論計算機科學(xué)并不是說一輩子要作科學(xué)研究，在適當(dāng)?shù)臅r候、在適當(dāng)?shù)臋C會下，創(chuàng)業(yè)也大有可能。”
?什么樣的創(chuàng)新工作能在科學(xué)上取得突破？什么樣的工作能在應(yīng)用上創(chuàng)新？姚期智引用《水滸傳》的故事說明這一問題。這部小說中的英雄好漢相遇會用一些暗語，比如花和尚魯智深說“遇林而起”，豹子頭林沖則說“遇山而富”， 魯智深說“遇水而深”，林沖則說“遇江而止”。設(shè)想現(xiàn)代的魯智深與林沖相遇，他們的志向不再是占山為王，而是要通過創(chuàng)業(yè)成為新時代的英雄，他們事先并不認(rèn)識，要達(dá)成生意上的合作需要有一個共同的暗號，在這個互聯(lián)網(wǎng)的時代，就是希望在信件來往中產(chǎn)生一個共識，形成一個只有他們自己知道的暗語。然而，現(xiàn)在我們的通信處于一個不安全的狀態(tài)中，可能有別的商業(yè)競爭者看到這兩個人之間的通信；因此怎樣在公開的通信里產(chǎn)生一種通用的密碼，這就是非常重要的一個問題。這個問題在1976年被提出來：兩個陌生人怎么樣在網(wǎng)絡(luò)上建立一個共通的暗語，而別人都不知道？
?對于這個問題的答案，絕大多數(shù)計算機科學(xué)家的第一反應(yīng)就是：在香農(nóng)信息理論的框架下這是不可能的，任何一種方式都能被破解。但是，如果你真的是一個有激情、想要做有創(chuàng)造力工作的人，想想看，是不是能夠打破現(xiàn)在的框架，這個就需要一個創(chuàng)新的能力。這在西方英語里面叫“跳出盒子思考”（thinking outside of the box）就是說，一般人遇到一個問題，基本上會走入大家都思考的框框，而你能夠打破這個框框，跳到框框外面去。
?“接著剛才的例子講，雖然大多數(shù)人認(rèn)為實現(xiàn)這個目標(biāo)是不可能的，但我們也可以想想也許有部分可能性。因為這兩個人都有部分密匙，這就是這種可能性的基礎(chǔ)。現(xiàn)代密碼學(xué)創(chuàng)始人Diffie-Hellman就想到，可以用密鑰交換的方法做這件事情。這是一個非常巧妙的算法。從這個例子里，我們可以看到他的創(chuàng)新精神，他從香農(nóng)信息理論這個盒子里跳出來。這個盒子把人們困住了，我們?nèi)绻嘈胚@個盒子的話，就會說這件事情不可能。但如果跳出這個盒子，進(jìn)入一個大的盒子，就能解決你的問題。這是一個非常重要的密碼學(xué)的基本工作。到現(xiàn)在，有很多方法能夠做這件事情。”姚期智說。
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普林斯頓的圖靈之路
?姚期智1986年到普林斯頓大學(xué)，一直到2004年全職回國，對這所學(xué)校比較了解。這所學(xué)校是常青藤學(xué)校之一，做事很審慎，他們很多年都不愿意把計算機變成一個學(xué)系。1985年的時候，普林斯頓大學(xué)計算機系成立，一方面因為計算機學(xué)科發(fā)展很快，一方面計算機科學(xué)也到了一個成熟的階段。當(dāng)時的計算機系有9位教授，其中5位做理論計算機科學(xué)。姚期智和另外一位很有名的計算機教授Tarjan都在斯坦福大學(xué)，被普林斯頓延攬過去了。
?整體來看，普林斯頓計算機系的人數(shù)比較少，其中一半是做理論計算機科學(xué)。雖然在有些人看來他們做得太偏了，但實踐證明非常有效。Tarjan去普林斯頓的第二年就拿到了圖靈獎，姚期智于2000年在普林斯頓拿到了圖靈獎。1993年，普林斯頓大學(xué)計算機系在NRC（National Research Council，美國國家研究委員會）的計算機科學(xué)排名第六。短短幾年，普林斯頓計算機系躍居世界一流，這是非常了不起的結(jié)果。
?姚期智認(rèn)為，普林斯頓的經(jīng)驗是可以借鑒的。第一，創(chuàng)建一流學(xué)科可從強項切入，不需同時面面俱到。第二，理論計算機科學(xué)可以撐起半邊天，帶動中國的計算機科學(xué)。
?“從一個大的方面講，建設(shè)一流大學(xué)也是同理。比如一個大學(xué)里有40個學(xué)科，若有七八個學(xué)科是一流的，就可謂是一流大學(xué)。”
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中國的特有優(yōu)勢
?姚期智認(rèn)為，目前中國有一些特有的優(yōu)勢，比如有好的學(xué)生、經(jīng)濟成長非?？?、有用以加強一流大學(xué)建設(shè)的資源。同時，國內(nèi)大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)和教師對于大學(xué)的現(xiàn)狀都非常清楚。“在世界上還很難找到一個別的正在發(fā)展中的國家能夠有這樣的優(yōu)勢，應(yīng)該利用中國特有的優(yōu)勢，達(dá)到建設(shè)一流大學(xué)的目的。”
姚期智分析，中國的計算機學(xué)科和20年以前相比有了很大進(jìn)步。20年前，中國的計算機學(xué)科對世界上正在做什么課題、哪些問題有發(fā)展的可能性不是很了解；時至今日，至少在代表國內(nèi)最好水平的清華大學(xué)計算機學(xué)科，中國和外界有一個共同的理念，數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、人工智能的成果也都相當(dāng)不錯，已經(jīng)成為國際上相當(dāng)有影響的一個團隊，但與世界上最好的計算機系和實驗室還有差距。“我們應(yīng)該從現(xiàn)在的起點上不斷增加影響。因此必須深入考慮到底要發(fā)展哪一方向、從哪個切入點切入，才能夠真正實現(xiàn)這一目的。”
?姚期智用《為學(xué)·蜀鄙二僧》的故事提醒大家：人最重要的是要有志向。“我始終覺得，我們中國能夠建立一流大學(xué)。希望大家更重視、看到自己的優(yōu)勢。建立起世界一流大學(xué)，從事教育就應(yīng)該有這個志向。”
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中國圖靈之路
?“中國圖靈之路”該怎樣走？怎樣能夠建設(shè)一個一流團隊、產(chǎn)生一個培養(yǎng)一流團隊的環(huán)境？姚期智認(rèn)為有兩種方案：一種是由上而下的整體制度改革，這種整體的調(diào)整必須審慎；另一種是由下而上，首先個人的研究達(dá)到世界水平，接著團隊研究的世界水平，進(jìn)而是專業(yè)領(lǐng)域的世界水平，最后必將使整個學(xué)科達(dá)到世界水平。
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“在清華這兩種策略都在用。”他回顧了2004年從普林斯頓全職回到清華，4年來探索“中國圖靈之路”的實踐。
?姚期智認(rèn)為，清華計算機系在某些方面是相當(dāng)強的，但理論計算機部分沒有得到發(fā)展。因為理論計算機是他的本行，他認(rèn)為這是最適合他的切入點，即在理論方面幫助中國的計算機學(xué)科。他認(rèn)為，理論計算機科學(xué)有這樣的潛力，能夠為中國的計算機科學(xué)開路。
?姚期智的構(gòu)思非常簡單，帶領(lǐng)10位海外杰出教授組成一個講席教授組，指導(dǎo)少數(shù)研究生。但他隨即發(fā)現(xiàn)新收的研究生聰明但缺乏基本理論知識，需要至少要花一年到一年半的時間學(xué)習(xí)本科理論知識。這些親身感受讓他逐漸萌生了“精英教育要從本科生開始”的想法，希望“有一個特別的班，專門培養(yǎng)計算機科學(xué)領(lǐng)域一流的本科生”。
?2006年，他創(chuàng)辦軟件科學(xué)實驗班，親自制定培養(yǎng)方案，為學(xué)生提供高層次的國際交流平臺：三年級全體赴香港各高校進(jìn)行訪問和交流；選送最優(yōu)秀的學(xué)生5~8名前往美國普林斯頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)等著名大學(xué)進(jìn)行交流和短期課程。
?到2007年，姚期智建立了清華大學(xué)理論計算機科學(xué)研究中心，擴招研究生。同時組建了第二屆講席教授組20人，其中美國國家科學(xué)院院士4名、美國人文科學(xué)院院士2名、美國國家工程院院士1名、奈望林納獎得主2名。中心以成為世界理論計算機領(lǐng)域的先驅(qū)為目標(biāo)，研究成果受到廣泛關(guān)注，世界知名學(xué)者頻繁來訪。1982年圖靈獎得主斯蒂芬·庫克（Stephen Cook）教授在2007年的一個國際會議上這樣評價： “我以前一直認(rèn)為中國不可能在理論計算機科學(xué)和我們競爭，現(xiàn)在我想我們有了競爭對手了，就是清華大學(xué)理論計算機科學(xué)研究中心 。”
?2008年，當(dāng)他的本科生和研究生都有了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)的時候，姚期智有了一個更透徹的想法，就是要開創(chuàng)預(yù)研班。“我們將錄取一些將來想要留在中國的學(xué)生，從本科一二年級中選拔具有特殊潛力和特別優(yōu)秀的學(xué)生，進(jìn)行個人化的預(yù)研培養(yǎng)，為我國打造理論計算機科學(xué)的拔尖博士。首批招收8名一年級、3名二年級本科生加入預(yù)研班。”
?為什么美國的教育有它的優(yōu)勢？姚期智分析，很大原因在于美國大學(xué)里有一些很好的教授，他們能夠使一些很優(yōu)秀的本科生能夠在很早的時候就具有科學(xué)家的氣質(zhì)和眼光。“在美國，學(xué)生要非常有天分、非常用功又要能尋找很有名的教授才可以成功。而在我國，我們需要自己去尋找這些學(xué)生然后來培養(yǎng)。我們所做的就是要預(yù)研班的學(xué)生達(dá)到美國最好學(xué)生的水平，希望能夠培養(yǎng)出頂尖的博士。
?姚期智親自為軟件實驗班編寫教學(xué)計劃、制定培養(yǎng)方案，融合美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)和普林斯頓大學(xué)計算機教育的先進(jìn)方法，精心準(zhǔn)備了10門核心課程。姚期智親自執(zhí)教其中的4門，給本科生講授“理論計算機學(xué)”系列課程，并親自編寫課后作業(yè)。每次上課，姚期智都會選擇生動典型的實例，將學(xué)生引入到最根本的理論問題中。沒有哪一本教科書能這樣既有對理論計算機科學(xué)最前沿的把握，又有如此明白生動的講解。姚期智的課沒有一成不變的教材和教案，卻真正凝結(jié)了他自己多年來豐富的研究成果和心得，這也是這些課程最寶貴、最閃光的地方。姚期智的課目前教學(xué)效果很好，是最受歡迎的課之一。
?從2008年秋季學(xué)期開始，姚期智將給研究生一年級開設(shè)高級理論計算機科學(xué)課程，每次講授兩個學(xué)期，主要講授復(fù)雜性、量子計算、量子密碼等，為研究生架設(shè)起一座從學(xué)習(xí)到作科研的橋梁。據(jù)調(diào)研，國際一流大學(xué)雖然有理論計算機科學(xué)的課程，但課程僅限于教授理論計算機的基礎(chǔ)知識，與科研分離，而國內(nèi)則尚無此類課程。姚期智設(shè)計并親自教授的高級理論計算機科學(xué)，將把教授理論知識、課堂研討以及課外學(xué)生研究實踐相結(jié)合，起到將研究生從學(xué)習(xí)型培養(yǎng)成科研型人才的橋梁作用。
?總結(jié)過去4年的工作，姚期智領(lǐng)導(dǎo)的講席教授組已經(jīng)培養(yǎng)出8名博士生，正在合作培養(yǎng)20名博士生，一批本科生業(yè)已畢業(yè)；目前中心絕大多數(shù)的工作都是由學(xué)生做，其研究成果也陸續(xù)發(fā)表于專業(yè)領(lǐng)域頂尖級的國際會議，得到國際同行的高度贊譽。姚期智介紹說：“我們建立了一個研究中心來開展的工作，從本科生到研究生甚至博士后有了一條完整的培養(yǎng)線。4年來，我們教學(xué)研究管理均已具穩(wěn)定規(guī)模，已是國際上知名的理論中心，綜合實力已達(dá)到世界前十名。”
?4年中，該中心還開展了多次國際會議。其中China Theory Week 2007是一創(chuàng)舉，該會把全世界最好的高年級研究生請來，和中心的研究生交流。1993年圖靈獎得主Juris Hartmanis教授，在參加了清華大學(xué)理論計算機科學(xué)研究中心的舉辦的China Theory Week 2007之后感言：“這是非常有創(chuàng)新性、有大作用的新會議，在美國，我們還沒有能力做到！”姚期智說：“這件事有2個目的。首先，再過三五年，他們就是這個領(lǐng)域的核心人物，我希望他們能夠更早地跟我們的學(xué)生交流。其次，就是希望他們能夠做超博士的研究。”
?“我回中國的一個目的，就是希望在短時間內(nèi)，在中國，至少在我的研究領(lǐng)域，能夠創(chuàng)造出一流的研究環(huán)境。”姚期智每句話、每個字都擲地有聲。
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建設(shè)計算機領(lǐng)域的“超級公路”
在姚期智看來，目前清華的圖靈之路已經(jīng)走了三分之一。總結(jié)在清華的教育理念，他說：“我們要建立一個計算機領(lǐng)域的‘超級公路’，使得我們的學(xué)生從本科生開始，一直到研究生、教授，在中心工作可以比世界任何其他地方機會更好，也更感到榮耀。”
?為此，姚期智采用“深耕”與“精耕”的方式：“深耕”即建立從本科到研究生到研究人員的自給自足的培養(yǎng)系統(tǒng)；“精耕”則是對每個人員，因材培養(yǎng)，發(fā)揮所長。他說只有這樣，中國才有可能培養(yǎng)出圖靈獎得主。
?在演講現(xiàn)場，清華師生更關(guān)注自身發(fā)展問題。一位學(xué)生問姚期智，圖靈計劃讓一些很優(yōu)秀的學(xué)生脫穎而出，能為清華的普通學(xué)生帶來什么？姚期智回答：“這個問題恐怕要等些年。因為我們這個實驗班是有實驗性質(zhì)的。并不是所有的實驗都一定是好的。在清華所做的任何事情都要過幾年再說。”姚期智還提到，學(xué)生的科學(xué)家氣質(zhì)，訓(xùn)練不是最好的描述，但是可以培養(yǎng)出來的。多讀些名人傳記，開闊心胸眼界，讀書真的是為了興趣而不只是為了考試。這是可以培養(yǎng)的。
?有人問：中國在理論理論計算機科學(xué)研究方面，是否應(yīng)該尋找中國自己的特色？姚期智說，如果我們能有自己的創(chuàng)新、自己的發(fā)明，那就是我們的特色了。但我們不必為了特色而特色。在科學(xué)工作上，整個世界都是一個共同的群體，“合作、交流和友善的競爭在我看來是一種最好的方式。歷史也證明，只有在一個完全公開交流的環(huán)境下進(jìn)展才最快。”
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當(dāng)回答“作為一個學(xué)者，在攀登科研的過程中，國外的環(huán)境和國內(nèi)的環(huán)境哪個更好”時，姚期智說，以前這個答案是很肯定的。即使在現(xiàn)在，在很多情況下，國外也還是有較好的環(huán)境。但是現(xiàn)在所做的，就是要改變這個事實，讓中國能夠有一些世界最好的環(huán)境給年輕人學(xué)習(xí)和發(fā)展。他以著名的美國茱莉亞音樂學(xué)院為例：“該學(xué)院在19世紀(jì)末成立的時候，提出要在美國建立起一流的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓美國的青年不需要去歐洲就能夠得到一流的教育，成為出色的音樂家。同樣的，我相信在中國也能建立起世界最好的計算機系以及一流大學(xué)。”
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