姚期智：中国图灵之路已走了三分之一
2008年07月21日 来源: 科学时报 浏览次数: 0
“图灵奖（A. M. Turing Award）和太太是我人生最成功的两件事。”姚期智于1972年获得美国哈佛大学物理博士学位，本以为终身投入物理研究，却在美国遇到了研究数学、后来成为他妻子的储枫，耳濡目染下，姚期智开始接触计算机科学，并有感计算机比物理学更适合自己发展，于是在1973年转投这门科学。
自1975年获得美国伊利诺伊大学计算机科学博士学位，姚期智在理论计算机领域作研究至今，曾先后在美国麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、普林斯顿大学等著名学府担任教授，从事教学及研究工作。多年来，姚期智以其敏锐的科学思维，在数据组织、密码学、通信复杂性乃至量子通信和计算等多个尖端科研领域，都作出了巨大而独到的贡献，曾获美国工业与应用数学学会George Polya奖，美国计算机协会算法与计算理论分会（ACM SIGACT）Donald E.Knuth奖等荣誉。全球首要计算机协会（ACM）在2000年授予姚期智图灵奖。姚期智是图灵奖创立以来首位获奖的亚裔学者，也是迄今为止获此殊荣的唯一华裔计算机科学家。图灵奖是世界计算机科学领域的最高奖项，与物理、化学、医学、经济学领域的诺贝尔奖齐名。
2004年姚期智离开普林斯顿大学，到清华大学任全职教授。
姚期智在清华演讲现场。 郭海军/摄
“能否短期内在中国建设出世界一流大学？能否在中国培养出诺贝尔奖得主？” 从计算机科学的角度，这个问题可以转换成“能否短期内在中国建设一流计算机学科？能否在中国培养出图灵奖得主？”
7月7日，姚期智在清华论坛第十四讲中回答：“在国家有关部门和清华的大力支持下，答案是肯定的。我们正在清华做，图灵之路已走了三分之一。”姚期智用自己回国4年在清华教书、办学的经历，并结合在美国大学工作的经验，从实际的角度探讨了国人广泛关注的“世界一流”问题。
姚期智认为，在中国，大家对一流大学的讨论多集中在中国文化、制度层面上，更多看到的是不利因素，很少注意到中国特有的优势。一流大学最主要的是一流学科的集合，是教育出一流的本科生、博士生并产生一流的研究成果，在这方面中国有其自身特有的优势。现在可探讨：在现代中国有什么优势，然后怎么利用优势，避开文化和制度的争议，提出一个具体的思路和方案，循序渐进地建设中国图灵之路。
“我所学的东西正好适合做一个先锋的工作，如果我已经成功地让你觉得很有说服力的话，那么我来讲一下，什么样的工作和创新，可以使你赢得图灵奖，什么样的工作是一个一流的计算机科学家所应该做的。”姚期智介绍，理论计算机科学在整个计算机科学里是个不小的单位，同时，国际上任何一个出色的计算机系都有出色的理论计算机团队。从科学上出名的角度来讲，做理论计算机科学是一个很有地位的领域；从一个更实际的观点来看，理论计算机科学可为计算机科学提供严谨的科学基础。“计算机科学最大的特点是在过去30年日新月异，不断有新的应用，每一次有新的发展都需要用数学的工具来了解问题是什么，怎样能用最好的方法加以解决。它不断对新的数学工具提出需求，而理论计算机科学家从事的正是这方面的工作。”
理论计算机科学的重要性
理论计算机科学的作用在于不仅为计算机科学提供严谨的科学基础，它用数学工具来建模新的领域，并具有广泛的商业应用。姚期智介绍，麻省理工学院的计算机实验室差不多有90多位教授，实验室主任是一位华裔教授，这个实验室在研究上划为3个领域：人工智能（比较广义的范畴，包括机器人、图形学等）、系统（计算机结构、网络，是传统计算机学科）、理论（算法、 信息安全等）。从教授所占的比例来看，大概有20%以上从事理论研究。
理论计算机科学的重要，也可以从图灵奖得主的领域分布看出来。自1966年以来产生了42届图灵奖得主，其中有10位从事理论计算机研究，所占比例同样在20%以上。
“理论计算机科学最核心的问题就是算法。如果你有很好的商业机会和商业头脑的话，算法马上就可以变成应用。在我们理论理论计算机科学研究的同事里面，有些非常有才能的教授后来都变成了创业家。”姚期智举例说：“比如Google，最核心的技术就是一个算法。所以，理论计算机科学并不是说一辈子要作科学研究，在适当的时候、在适当的机会下，创业也大有可能。”
什么样的创新工作能在科学上取得突破？什么样的工作能在应用上创新？姚期智引用《水浒传》的故事说明这一问题。这部小说中的英雄好汉相遇会用一些暗语，比如花和尚鲁智深说“遇林而起”，豹子头林冲则说“遇山而富”， 鲁智深说“遇水而深”，林冲则说“遇江而止”。设想现代的鲁智深与林冲相遇，他们的志向不再是占山为王，而是要通过创业成为新时代的英雄，他们事先并不认识，要达成生意上的合作需要有一个共同的暗号，在这个互联网的时代，就是希望在信件来往中产生一个共识，形成一个只有他们自己知道的暗语。然而，现在我们的通信处于一个不安全的状态中，可能有别的商业竞争者看到这两个人之间的通信；因此怎样在公开的通信里产生一种通用的密码，这就是非常重要的一个问题。这个问题在1976年被提出来：两个陌生人怎么样在网络上建立一个共通的暗语，而别人都不知道？
对于这个问题的答案，绝大多数计算机科学家的第一反应就是：在香农信息理论的框架下这是不可能的，任何一种方式都能被破解。但是，如果你真的是一个有激情、想要做有创造力工作的人，想想看，是不是能够打破现在的框架，这个就需要一个创新的能力。这在西方英语里面叫“跳出盒子思考”（thinking outside of the box）就是说，一般人遇到一个问题，基本上会走入大家都思考的框框，而你能够打破这个框框，跳到框框外面去。
“接着刚才的例子讲，虽然大多数人认为实现这个目标是不可能的，但我们也可以想想也许有部分可能性。因为这两个人都有部分密匙，这就是这种可能性的基础。现代密码学创始人Diffie-Hellman就想到，可以用密钥交换的方法做这件事情。这是一个非常巧妙的算法。从这个例子里，我们可以看到他的创新精神，他从香农信息理论这个盒子里跳出来。这个盒子把人们困住了，我们如果相信这个盒子的话，就会说这件事情不可能。但如果跳出这个盒子，进入一个大的盒子，就能解决你的问题。这是一个非常重要的密码学的基本工作。到现在，有很多方法能够做这件事情。”姚期智说。
普林斯顿的图灵之路
姚期智1986年到普林斯顿大学，一直到2004年全职回国，对这所学校比较了解。这所学校是常青藤学校之一，做事很审慎，他们很多年都不愿意把计算机变成一个学系。1985年的时候，普林斯顿大学计算机系成立，一方面因为计算机学科发展很快，一方面计算机科学也到了一个成熟的阶段。当时的计算机系有9位教授，其中5位做理论计算机科学。姚期智和另外一位很有名的计算机教授Tarjan都在斯坦福大学，被普林斯顿延揽过去了。
整体来看，普林斯顿计算机系的人数比较少，其中一半是做理论计算机科学。虽然在有些人看来他们做得太偏了，但实践证明非常有效。Tarjan去普林斯顿的第二年就拿到了图灵奖，姚期智于2000年在普林斯顿拿到了图灵奖。1993年，普林斯顿大学计算机系在NRC（National Research Council，美国国家研究委员会）的计算机科学排名第六。短短几年，普林斯顿计算机系跃居世界一流，这是非常了不起的结果。
姚期智认为，普林斯顿的经验是可以借鉴的。第一，创建一流学科可从强项切入，不需同时面面俱到。第二，理论计算机科学可以撑起半边天，带动中国的计算机科学。
“从一个大的方面讲，建设一流大学也是同理。比如一个大学里有40个学科，若有七八个学科是一流的，就可谓是一流大学。”
中国的特有优势
姚期智认为，目前中国有一些特有的优势，比如有好的学生、经济成长非常快、有用以加强一流大学建设的资源。同时，国内大学的领导和教师对于大学的现状都非常清楚。“在世界上还很难找到一个别的正在发展中的国家能够有这样的优势，应该利用中国特有的优势，达到建设一流大学的目的。”
姚期智分析，中国的计算机学科和20年以前相比有了很大进步。20年前，中国的计算机学科对世界上正在做什么课题、哪些问题有发展的可能性不是很了解；时至今日，至少在代表国内最好水平的清华大学计算机学科，中国和外界有一个共同的理念，数据库、网络、人工智能的成果也都相当不错，已经成为国际上相当有影响的一个团队，但与世界上最好的计算机系和实验室还有差距。“我们应该从现在的起点上不断增加影响。因此必须深入考虑到底要发展哪一方向、从哪个切入点切入，才能够真正实现这一目的。”
姚期智用《为学·蜀鄙二僧》的故事提醒大家：人最重要的是要有志向。“我始终觉得，我们中国能够建立一流大学。希望大家更重视、看到自己的优势。建立起世界一流大学，从事教育就应该有这个志向。”
中国图灵之路
“中国图灵之路”该怎样走？怎样能够建设一个一流团队、产生一个培养一流团队的环境？姚期智认为有两种方案：一种是由上而下的整体制度改革，这种整体的调整必须审慎；另一种是由下而上，首先个人的研究达到世界水平，接着团队研究的世界水平，进而是专业领域的世界水平，最后必将使整个学科达到世界水平。
“在清华这两种策略都在用。”他回顾了2004年从普林斯顿全职回到清华，4年来探索“中国图灵之路”的实践。
姚期智认为，清华计算机系在某些方面是相当强的，但理论计算机部分没有得到发展。因为理论计算机是他的本行，他认为这是最适合他的切入点，即在理论方面帮助中国的计算机学科。他认为，理论计算机科学有这样的潜力，能够为中国的计算机科学开路。
姚期智的构思非常简单，带领10位海外杰出教授组成一个讲席教授组，指导少数研究生。但他随即发现新收的研究生聪明但缺乏基本理论知识，需要至少要花一年到一年半的时间学习本科理论知识。这些亲身感受让他逐渐萌生了“精英教育要从本科生开始”的想法，希望“有一个特别的班，专门培养计算机科学领域一流的本科生”。
2006年，他创办软件科学实验班，亲自制定培养方案，为学生提供高层次的国际交流平台：三年级全体赴香港各高校进行访问和交流；选送最优秀的学生5~8名前往美国普林斯顿大学、麻省理工学院、哈佛大学、斯坦福大学等著名大学进行交流和短期课程。
到2007年，姚期智建立了清华大学理论计算机科学研究中心，扩招研究生。同时组建了第二届讲席教授组20人，其中美国国家科学院院士4名、美国人文科学院院士2名、美国国家工程院院士1名、奈望林纳奖得主2名。中心以成为世界理论计算机领域的先驱为目标，研究成果受到广泛关注，世界知名学者频繁来访。1982年图灵奖得主斯蒂芬·库克（Stephen Cook）教授在2007年的一个国际会议上这样评价： “我以前一直认为中国不可能在理论计算机科学和我们竞争，现在我想我们有了竞争对手了，就是清华大学理论计算机科学研究中心 。”
2008年，当他的本科生和研究生都有了相当的基础的时候，姚期智有了一个更透彻的想法，就是要开创预研班。“我们将录取一些将来想要留在中国的学生，从本科一二年级中选拔具有特殊潜力和特别优秀的学生，进行个人化的预研培养，为我国打造理论计算机科学的拔尖博士。首批招收8名一年级、3名二年级本科生加入预研班。”
为什么美国的教育有它的优势？姚期智分析，很大原因在于美国大学里有一些很好的教授，他们能够使一些很优秀的本科生能够在很早的时候就具有科学家的气质和眼光。“在美国，学生要非常有天分、非常用功又要能寻找很有名的教授才可以成功。而在我国，我们需要自己去寻找这些学生然后来培养。我们所做的就是要预研班的学生达到美国最好学生的水平，希望能够培养出顶尖的博士。
姚期智亲自为软件实验班编写教学计划、制定培养方案，融合美国麻省理工学院、斯坦福大学和普林斯顿大学计算机教育的先进方法，精心准备了10门核心课程。姚期智亲自执教其中的4门，给本科生讲授“理论计算机学”系列课程，并亲自编写课后作业。每次上课，姚期智都会选择生动典型的实例，将学生引入到最根本的理论问题中。没有哪一本教科书能这样既有对理论计算机科学最前沿的把握，又有如此明白生动的讲解。姚期智的课没有一成不变的教材和教案，却真正凝结了他自己多年来丰富的研究成果和心得，这也是这些课程最宝贵、最闪光的地方。姚期智的课目前教学效果很好，是最受欢迎的课之一。
从2008年秋季学期开始，姚期智将给研究生一年级开设高级理论计算机科学课程，每次讲授两个学期，主要讲授复杂性、量子计算、量子密码等，为研究生架设起一座从学习到作科研的桥梁。据调研，国际一流大学虽然有理论计算机科学的课程，但课程仅限于教授理论计算机的基础知识，与科研分离，而国内则尚无此类课程。姚期智设计并亲自教授的高级理论计算机科学，将把教授理论知识、课堂研讨以及课外学生研究实践相结合，起到将研究生从学习型培养成科研型人才的桥梁作用。
总结过去4年的工作，姚期智领导的讲席教授组已经培养出8名博士生，正在合作培养20名博士生，一批本科生业已毕业；目前中心绝大多数的工作都是由学生做，其研究成果也陆续发表于专业领域顶尖级的国际会议，得到国际同行的高度赞誉。姚期智介绍说：“我们建立了一个研究中心来开展的工作，从本科生到研究生甚至博士后有了一条完整的培养线。4年来，我们教学研究管理均已具稳定规模，已是国际上知名的理论中心，综合实力已达到世界前十名。”
4年中，该中心还开展了多次国际会议。其中China Theory Week 2007是一创举，该会把全世界最好的高年级研究生请来，和中心的研究生交流。1993年图灵奖得主Juris Hartmanis教授，在参加了清华大学理论计算机科学研究中心的举办的China Theory Week 2007之后感言：“这是非常有创新性、有大作用的新会议，在美国，我们还没有能力做到！”姚期智说：“这件事有2个目的。首先，再过三五年，他们就是这个领域的核心人物，我希望他们能够更早地跟我们的学生交流。其次，就是希望他们能够做超博士的研究。”
“我回中国的一个目的，就是希望在短时间内，在中国，至少在我的研究领域，能够创造出一流的研究环境。”姚期智每句话、每个字都掷地有声。
建设计算机领域的“超级公路”
在姚期智看来，目前清华的图灵之路已经走了三分之一。总结在清华的教育理念，他说：“我们要建立一个计算机领域的‘超级公路’，使得我们的学生从本科生开始，一直到研究生、教授，在中心工作可以比世界任何其他地方机会更好，也更感到荣耀。”
为此，姚期智采用“深耕”与“精耕”的方式：“深耕”即建立从本科到研究生到研究人员的自给自足的培养系统；“精耕”则是对每个人员，因材培养，发挥所长。他说只有这样，中国才有可能培养出图灵奖得主。
在演讲现场，清华师生更关注自身发展问题。一位学生问姚期智，图灵计划让一些很优秀的学生脱颖而出，能为清华的普通学生带来什么？姚期智回答：“这个问题恐怕要等些年。因为我们这个实验班是有实验性质的。并不是所有的实验都一定是好的。在清华所做的任何事情都要过几年再说。”姚期智还提到，学生的科学家气质，训练不是最好的描述，但是可以培养出来的。多读些名人传记，开阔心胸眼界，读书真的是为了兴趣而不只是为了考试。这是可以培养的。
有人问：中国在理论理论计算机科学研究方面，是否应该寻找中国自己的特色？姚期智说，如果我们能有自己的创新、自己的发明，那就是我们的特色了。但我们不必为了特色而特色。在科学工作上，整个世界都是一个共同的群体，“合作、交流和友善的竞争在我看来是一种最好的方式。历史也证明，只有在一个完全公开交流的环境下进展才最快。”
当回答“作为一个学者，在攀登科研的过程中，国外的环境和国内的环境哪个更好”时，姚期智说，以前这个答案是很肯定的。即使在现在，在很多情况下，国外也还是有较好的环境。但是现在所做的，就是要改变这个事实，让中国能够有一些世界最好的环境给年轻人学习和发展。他以著名的美国茱莉亚音乐学院为例：“该学院在19世纪末成立的时候，提出要在美国建立起一流的学习环境，让美国的青年不需要去欧洲就能够得到一流的教育，成为出色的音乐家。同样的，我相信在中国也能建立起世界最好的计算机系以及一流大学。”