Oppenheim il non ortodosso

Nell'autunno del 1998, Yonina Eldar, PhD '02, era una studentessa di 25 anni nel Research Lab for Electronics del MIT, incontrando il suo consulente, Alan Oppenheim '59, SM '61, ScD '64, per un primo discussione del suo argomento di tesi. Eldar aveva studiato fisica come studentessa universitaria, ma nei tre anni successivi aveva conseguito un master in elaborazione del segnale, si era unita a una startup che commercializzava tecnologia wireless ed era diventata madre. Ero molto lontano dalla fisica quando sono venuto a parlare con lui, dice Eldar, ora professore di ingegneria elettrica al Technion in Israele e professore in visita a Stanford.





Eldar si aspettava che Oppenheim, che ha guidato il Digital Signal Processing Group del MIT dalla metà degli anni '60, avrebbe seguito la pratica della maggior parte dei relatori di tesi e le avrebbe presentato alcuni dei problemi irrisolti nel suo campo prima di mandarla a casa a leggere documenti che l'avrebbero aiutata zero su uno di loro. Ma non è quello che è successo.

Mi ha subito detto: 'Quindi, penso che sarebbe bello usare la meccanica quantistica nell'elaborazione del segnale', dice. E l'ho semplicemente guardato. Dopo che mi sono ripreso, ho detto: 'Certo, potrebbe essere interessante. Che cosa avevi in ​​mente?' E mi ha guardato e ha detto: 'Non ne ho assolutamente idea. Perché non vai a scoprirlo?'

È un luogo comune che le idee innovative spesso derivino da un pensiero non ortodosso, ma pochi scienziati cercano di coltivare l'non ortodossia con lo zelo che fa Oppenheim. L'esperienza di Eldar non è atipica: Kevin Cuomo, per esempio, un laureato del 1993 del gruppo di Oppenheim, ha scritto una tesi ispirata alla teoria del caos, una branca della matematica più tipicamente associata ai sistemi meteorologici che all'elaborazione del segnale; Tom Baran, un attuale studente universitario, sta tracciando analogie tra l'elaborazione del segnale e la termodinamica. Altri studenti hanno trovato implicazioni per l'elaborazione del segnale nella geometria frattale e nella fisica dei solitoni (creste d'onda che mantengono la loro forma mentre percorrono lunghe distanze a una velocità fissa). Ma mentre le tesi degli studenti di Oppenheim possono essere speculative nelle loro origini, sono molto concrete nei loro risultati: finora hanno portato al deposito di 19 brevetti, tra cui uno per il lavoro di Cuomo e quattro per quello di Eldar.



Gli esempi più intuitivi di elaborazione del segnale riguardano i segnali di comunicazione, come telefonate, trasmissioni radio o video in streaming su Internet. L'elaborazione potrebbe significare filtrare il rumore di una chiamata, separare la voce di un DJ dall'onda elettromagnetica che la codifica o comprimere i dati video in modo che occupino meno larghezza di banda. Ma anche molti altri tipi di informazioni possono essere considerati segnali. La media industriale Dow Jones, ad esempio, è un segnale che trasporta informazioni sull'economia degli Stati Uniti; il giornale di Wall Street La media mobile di 30 giorni di Dow è una sorta di processore di segnale, che filtra parte del rumore delle fluttuazioni quotidiane. Anche un'immagine digitale può essere pensata come un segnale: il colore e la luminosità dei pixel successivi sono come le frequenze successive di una trasmissione radio e le tecniche di elaborazione del segnale possono rendere più nitida un'immagine o aiutare a identificare gli oggetti che contiene.

L'assoluta varietà di segnali e di modi per elaborarli dà a Oppenheim la certezza che, non importa quanto lontano li conducano le esplorazioni intellettuali dei suoi studenti, alla fine troveranno la strada per tornare a qualche problema pratico. Quindi li spinge a spaziare più lontano. Avere un po' di paura fa bene, dice. Se non lavori al limite della tua zona di comfort, la tua zona di comfort si ridurrà.

Eldar riconosce che l'indeterminatezza delle domande che Oppenheim pone ai suoi studenti potrebbe essere scoraggiante. Ma sai che l'ha già fatto un milione di volte, dice, quindi è davvero motivante, anche se non hai davvero idea di cosa stai cercando. Baran è d'accordo. Non è che qualcuno sia seriamente preoccupato se avrà o meno una tesi, dice. Al ha una straordinaria capacità di vedere come molte di queste idee vengono integrate insieme.



La nascita dell'elaborazione digitale del segnale

La prima tesi insolita che Oppenheim portò a compimento fu la sua. Oggi, la maggior parte dell'elaborazione del segnale viene eseguita al volo da chip per computer, ma non era vero quando Oppenheim era uno studente universitario nei primi anni '60. All'epoca, gli ingegneri elettrici avrebbero testato nuovi algoritmi di elaborazione del segnale sui computer, ma l'esecuzione degli algoritmi poteva richiedere ore o addirittura giorni. Una volta che un algoritmo si era dimostrato valido nelle simulazioni, doveva essere collegato a un circuito analogico prima di poter essere utilizzato.

Ma il giovane Oppenheim era convinto che la tecnologia informatica sarebbe migliorata al punto da poter stare al passo con i segnali in tempo reale. Guardando indietro, non riesco a decidere se sia stata l'ingenuità di un bambino che pensa che se continua a sbattere le braccia, alla fine volerà, dice Oppenheim. Ma non avevo dubbi che un giorno la tecnologia lo avrebbe reso possibile.

Per la sua tesi, Oppenheim ha descritto un approccio all'elaborazione del segnale che era totalmente impraticabile con i circuiti analogici. Dopo la laurea, si è unito alla facoltà del MIT, ma presto ha preso un periodo di aspettativa per fare simulazioni di elaborazione del segnale al Lincoln Lab. I grandi computer che eseguivano quelle simulazioni erano effettivamente processori di segnali digitali; stavano solo eseguendo l'elaborazione molto lentamente, sui dati memorizzati piuttosto che sui segnali in tempo reale. Quando Oppenheim tornò all'insegnamento, offrì il primo corso dell'Istituto sull'elaborazione del segnale digitale e la primavera successiva, con l'aiuto di Ronald Schafer dei Bell Labs, iniziò a organizzare i suoi appunti nel primo libro di testo del campo, pubblicato nel 1975 ed è ancora oggi ampiamente utilizzato.



Nel descrivere lo stile di ricerca del suo gruppo, Oppenheim ama la metafora. Sai quanto è intelligente una palla da bowling? gli piace chiedere. Una palla da bowling posta in cima a una collina, spiega, troverà il percorso a energia più bassa verso il basso, ma per calcolare lo stesso percorso, un essere umano dovrebbe risolvere un complicato insieme di equazioni differenziali. La natura, crede Oppenheim, può suggerire modi altamente efficienti per risolvere problemi complicati, e cercare ispirazione nella natura è uno dei temi che unificano la variegata ricerca del suo gruppo.

La tesi di Eldar è un esempio calzante. Le particelle estremamente piccole, di competenza della fisica quantistica, possono essere descritte da una serie di proprietà. Alcuni possono essere compresi intuitivamente, come la posizione e l'energia; altri sono più esoterici, come lo spin e la carica di colore. Ma uno dei principi centrali della fisica quantistica, il principio di indeterminazione di Heisenberg, sostiene che misurare una di queste proprietà rende l'altra inconoscibile. L'acquisizione di informazioni su una proprietà distrugge le informazioni su un'altra.

Oppenheim ed Eldar hanno visto un'analogia nel caso di un segnale così corrotto dal rumore che è impossibile recuperare tutte le informazioni originariamente contenute. La fisica quantistica ha fornito loro un nuovo modo di pensare all'esecuzione di misurazioni sul segnale, al fine di estrarre informazioni di alto valore.



Un altro degli slogan di Oppenheim è che uno più uno può fare tre: cioè, la migliore soluzione a un problema può essere non solo controintuitiva ma apparentemente idiota. In alcuni ambienti accademici, dice Oppenheim, proporre un'idea insolita scatenerà un'immediata derisione. Non me la cavo bene in quel tipo di atmosfera, dice. Mi alzo e perdo la capacità di pensare in piedi. Ma in altri ambienti, dice, se dici senza pensarci due volte che uno e uno sono tre, i tuoi colleghi ti aiuteranno a dare un senso alla proposta in un modo che alla fine porti una nuova prospettiva a un problema stantio. Questo è il tipo di ambiente, dice Oppenheim, che cerca di promuovere nelle riunioni del suo gruppo.

Alle riunioni settimanali di gruppo, non c'è un'agenda, afferma Cuomo, che dopo 20 anni al MIT Lincoln Lab è ora ingegnere presso Photonic Systems a Billerica, nel Massachusetts. Entri e basta, e qualunque cosa abbia in mente qualcuno, ne discuti. Sembra uno sforzo di squadra in un modo che altri gruppi di ricerca non fanno. Aggiunge Baran, Impari molto velocemente che nessuna idea è una cattiva idea.

Insegnante dell'insegnante

Non tutti hanno il lusso di adottare l'approccio a ruota libera di Oppenheim, osserva Jim Preisig, uno scienziato della Woods Hole Oceanographic Institution che si è laureato presso il gruppo di Oppenheim nel 1992. Avrebbe ricevuto sovvenzioni che gli avrebbero dato molto margine di manovra su quali problemi stavamo risolvendo, Preisig dice. E ci vuole qualcuno della sua statura per poterlo fare. Ma per Eldar, questo è un motivo in più per apprezzare l'aver studiato con Oppenheim. Una volta che sei nel tuo percorso di carriera e stai cercando di costruire un laboratorio, costruire un gruppo, non puoi semplicemente sederti lì per tre anni e dire: 'Ehi, vedrò come si applica la teoria delle stringhe a questo problema', dice. Quindi avere quegli anni è, penso, qualcosa di veramente prezioso.

Che lei lo sappia o no, Eldar fa eco ai consigli che Oppenheim ha ricevuto dal suo relatore di tesi, Amar Bose '51, SM '52, ScD '56, fondatore della Bose Corporation e professore del MIT per più di 40 anni. Oppenheim dice che quando stava scrivendo la sua tesi di dottorato, ha avuto problemi con la facoltà interessante nel suo approccio apparentemente poco pratico all'elaborazione del segnale. Stava pensando di abbandonare il progetto. Bose aveva accettato di consigliare Oppenheim a causa del loro rapporto personale, sebbene l'argomento della tesi fosse in qualche modo al di fuori della sua area di competenza. Ha detto: 'Sei entusiasta? Ci credi?’ ricorda Oppenheim. Poi ha detto: 'Questa è probabilmente l'ultima volta nella tua vita che potrai rispondere a una domanda solo perché è interessante. Se ci credi, dovresti farlo.'

Un'altra cosa che Oppenheim dice di aver imparato da Bose è stata apprezzare fino a che punto poteva arrivare la sua influenza come insegnante. La cosa meravigliosa dell'insegnamento è che hai un impatto su una generazione, loro se ne vanno e diventano insegnanti e hanno un impatto su una generazione, e così via, dice.

Nel 1988, Oppenheim ha vinto il più alto premio educativo dell'IEEE, che è stato presentato durante una cerimonia presieduta da James Kaiser, SM '54, ScD '59, a cui hanno partecipato più di mille persone. Prima di presentare Oppenheim, Kaiser ha chiesto quanti membri del pubblico erano stati studenti nel suo gruppo di ricerca. In piedi una dozzina di persone. Poi Kaiser chiese chi fosse stato consigliato da uno degli studenti di Oppenheim. Un gruppo più numeroso si alzò in piedi. Poi Kaiser chiese a chiunque avesse frequentato una delle lezioni di Oppenheim di alzarsi, poi una delle classi dei suoi studenti, poi chiunque avesse letto il libro di Oppenheim. Alla fine, quasi tutti nella stanza erano in piedi.

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