Oppenheim den oortodoxa

Hösten 1998 var Yonina Eldar, PhD '02, en 25-årig doktorand i MIT:s Research Lab for Electronics, och träffade sin rådgivare, Alan Oppenheim '59, SM '61, ScD '64, för en första diskussion om hennes avhandlingsämne. Eldar hade studerat fysik som student, men under de mellanliggande tre åren hade hon tagit en masterexamen i signalbehandling, gått med i en startup som kommersialiserat trådlös teknologi och blivit mamma. Jag var väldigt avlägsen från fysiken när jag kom för att prata med honom, säger Eldar, numera professor i elektroteknik vid Technion i Israel och gästprofessor vid Stanford.

Eldar förväntade sig att Oppenheim, som har lett MIT:s Digital Signal Processing Group sedan mitten av 1960-talet, skulle följa de flesta avhandlingsrådgivares praxis och presentera några av de olösta problemen inom hans område innan hon skickade hem henne för att läsa uppsatser som skulle hjälpa henne noll på en av dem. Men det var inte vad som hände.

Han sa direkt till mig: 'Så jag tror att det skulle vara trevligt att använda kvantmekanik i signalbehandling', säger hon. Och jag bara stirrade på honom. Efter att jag fick ett grepp sa jag, 'Visst, det kan vara intressant. Vad hade du i åtanke?’ Och han tittade på mig och sa: ’Jag har absolut ingen aning. Varför går du inte och tar reda på det?'

Det är vanligt att innovativa idéer ofta är resultatet av oortodoxt tänkande, men få forskare försöker odla oortodoxi med den iver som Oppenheim gör. Eldars erfarenhet är inte atypisk: Kevin Cuomo, till exempel, en examen från Oppenheims grupp 1993, skrev en avhandling inspirerad av kaosteori, en gren av matematik som mer typiskt förknippas med vädersystem än med signalbehandling; Tom Baran, en nuvarande student, letar efter analogier mellan signalbehandling och termodynamik. Andra studenter har funnit implikationer för signalbehandling i fraktalgeometri och solitons fysik (vågtoppar som håller formen medan de reser långa sträckor med en fast hastighet). Men även om Oppenheims studenters avhandlingar kan vara spekulativa i sitt ursprung, är de mycket konkreta i sina resultat: hittills har de lett till att 19 patent har lämnats in, inklusive ett för Cuomos arbete och fyra för Eldars.

De mest intuitiva exemplen på signalbehandling involverar kommunikationssignaler, såsom telefonsamtal, radiosändningar eller videor som streamas över Internet. Bearbetning kan innebära att filtrera bort brus från ett samtal, separera rösten från en DJ från den elektromagnetiska vågen som kodar den eller komprimera videodata så att den tar upp mindre bandbredd. Men många andra typer av information kan också ses som signaler. Dow Jones industrimedelvärde, till exempel, är en signal som bär information om den amerikanska ekonomin; de Wall Street Journal 30-dagars glidande Dow-genomsnitt är en slags signalprocessor som filtrerar bort en del av bruset från dagliga fluktuationer. En digital bild kan också ses som en signal: färgen och ljusstyrkan hos på varandra följande pixlar är som de på varandra följande frekvenserna för en radiosändning, och signalbehandlingstekniker kan skärpa en bild eller hjälpa till att identifiera objekten den innehåller.

Den stora variationen av signaler, och sätt att bearbeta dem, ger Oppenheim förtroende för att oavsett hur långt bort hans elevers intellektuella undersökningar leder dem, kommer de så småningom att hitta tillbaka till något praktiskt problem. Så han pressar dem att sträcka sig längre. Att vara lite rädd är bra, säger han. Om du inte arbetar i utkanten av din komfortzon kommer din komfortzon att krympa.

Eldar erkänner att de öppna frågorna som Oppenheim ställer till sina elever kan vara nedslående. Men du vet att han har gjort det här en miljon gånger tidigare, säger hon, så det är faktiskt motiverande, även om du verkligen inte har någon aning om vad du letar efter. Baran håller med. Det är inte så att någon verkligen är orolig för om de ska ha ett examensarbete eller inte, säger han. Al har en fantastisk förmåga att se hur många av dessa idéer integreras.

Födelsen av digital signalbehandling

Den första offbeat-uppsatsen som Oppenheim styrde för att slutföra var hans egen. Idag utförs den mesta signalbehandlingen i farten av datorchips, men det var inte sant när Oppenheim var student i början av 1960-talet. På den tiden testade elektriker nya signalbehandlingsalgoritmer på datorer, men algoritmerna kunde ta timmar eller till och med dagar att utföra. När en algoritm väl hade visat sig i simuleringar måste den kopplas in i en analog krets innan den kunde användas.

Men den unge Oppenheim var övertygad om att datortekniken skulle förbättras till den grad att den kunde hålla jämna steg med realtidssignaler. När jag ser tillbaka kan jag inte avgöra om det var naiviteten hos ett barn som tror att om han fortsätter att flaxa med armarna så kommer han till slut att flyga, säger Oppenheim. Men jag tvivlade inte på att tekniken en dag skulle göra det möjligt.

För sin avhandling beskrev Oppenheim ett tillvägagångssätt för signalbehandling som var totalt opraktisk med analoga kretsar. Efter examen började han på MIT-fakulteten, men han tog snart tjänstledigt för att göra signalbehandlingssimuleringar på Lincoln Lab. De stora datorerna som körde dessa simuleringar var faktiskt digitala signalprocessorer; de gjorde bara bearbetningen väldigt långsamt, på lagrad data snarare än livesignaler. När Oppenheim återvände till undervisningen erbjöd han institutets första kurs i digital signalbehandling och våren därpå började han, med hjälp av Bell Labs Ronald Schafer, organisera sina anteckningar i fältets första lärobok, som gavs ut 1975 och är används fortfarande i stor utsträckning idag.

När Oppenheim beskriver sin grupps forskningsstil är Oppenheim förtjust i metaforer. Vet du hur smart ett bowlingklot är? han gillar att fråga. En bowlingklot placerad på toppen av en kulle, förklarar han, kommer att hitta den lägsta energivägen till botten, men för att beräkna samma väg måste en människa lösa en komplicerad uppsättning differentialekvationer. Naturen, tror Oppenheim, kan föreslå mycket effektiva sätt att lösa komplicerade problem, och att söka till naturen för inspiration är ett av de teman som förenar hans grupps mångsidiga forskning.

Eldars avhandling är ett exempel. Extremt små partiklar – kvantfysikens räckvidd – kan beskrivas med en mängd egenskaper. Vissa kan förstås intuitivt, som position och energi; andra är mer esoteriska, som spinn och färgladdning. Men en av kvantfysikens centrala grundsatser – Heisenbergs osäkerhetsprincip – hävdar att mätning av någon av dessa egenskaper gör en av de andra omöjlig att veta. Att skaffa information om en fastighet förstör information om en annan.

Oppenheim och Eldar såg en analogi i fallet med en signal som är så korrumperad av brus att det är omöjligt att återställa all information den ursprungligen innehöll. Kvantfysiken gav dem ett nytt sätt att tänka på att utföra mätningar på signalen, för att extrahera information av högt värde.

En annan av Oppenheims slogans är att ett plus ett kan vara tre: det vill säga, den bästa lösningen på ett problem kan inte bara vara kontraintuitiv utan till synes idiotisk. I vissa akademiska miljöer, säger Oppenheim, kommer det att ge upphov till omedelbart hån att föreslå en offbeat idé. Jag klarar mig inte bra i den typen av atmosfär, säger han. Jag kliver upp och jag tappar förmågan att tänka på fötterna. Men i andra miljöer, säger han, om du utan att tänka ut att ett och ett är tre, kommer dina kollegor att hjälpa dig att förstå förslaget på ett sätt som i slutändan ger ett nytt perspektiv på ett inaktuellt problem. Det är den typ av miljö, säger Oppenheim, som han försöker främja i sin grupps möten.

Vid de veckovisa gruppmötena finns det ingen agenda, säger Cuomo, som efter 20 år på MIT Lincoln Lab nu är ingenjör på Photonic Systems i Billerica, Massachusetts. Du går bara in, och vad någon än har i tankarna diskuterar du. Det känns som ett lagarbete på ett sätt som andra forskargrupper inte gör. Tillägger Baran, Man lär sig väldigt snabbt att ingen idé är en dålig idé.

Lärarens lärare

Alla har inte lyxen att ta till sig Oppenheims frihjulsstrategi, konstaterar Jim Preisig, en vetenskapsman vid Woods Hole Oceanographic Institution som tog examen från Oppenheims grupp 1992. Han skulle få anslag som gav honom stort spelrum i exakt vilka problem vi löste, säger Preisig. Och det krävs någon av hans storlek för att kunna göra det. Men för Eldar är det desto större anledning att uppskatta att ha studerat med Oppenheim. När du väl är inne på din karriärväg och försöker bygga ett labb, bygga en grupp, kan du inte bara sitta där i tre år och säga, 'Hej, jag ska se hur strängteori kan tillämpas på det här problem, säger hon. Så att ha de åren tror jag är något riktigt värdefullt.

Oavsett om hon vet det eller inte, upprepar Eldar råd som Oppenheim fått från sin egen avhandlingsrådgivare, Amar Bose '51, SM '52, ScD '56, grundare av Bose Corporation och en MIT-professor i mer än 40 år. Oppenheim säger att när han skrev sin doktorsavhandling hade han problem med intressanta fakulteter i sin till synes opraktiska inställning till signalbehandling. Han övervägde att överge projektet. Bose hade gått med på att ge Oppenheim råd på grund av deras personliga relation, även om avhandlingsämnet låg något utanför hans expertområde. Han sa: 'Är du exalterad över det? Tror du på det?’ minns Oppenheim. Sedan sa han, 'Det här är förmodligen sista gången i ditt liv som du kommer att få fortsätta en fråga bara för att den är intressant. Om du tror på det, borde du göra det.'

En annan sak som Oppenheim säger att han lärde sig av Bose var att uppskatta hur långt hans inflytande som lärare kunde nå. Det underbara med undervisning är att man påverkar en generation, de går iväg och blir lärare och påverkar en generation, och så vidare, säger han.

1988 vann Oppenheim IEEE:s högsta utbildningspris, som delades ut vid en ceremoni som leddes av James Kaiser, SM '54, ScD '59, och som deltog av mer än tusen personer. Innan han presenterade Oppenheim frågade Kaiser hur många medlemmar av publiken som hade varit studenter i hans forskargrupp. Ett dussintal personer stod. Sedan frågade Kaiser vem som hade fått råd av en av Oppenheims elever. En större grupp reste sig. Sedan bad Kaiser alla som hade gått en av Oppenheims klasser att stå, sedan en av hans elevers klasser, sedan alla som läst Oppenheims bok. Mot slutet stod nästan alla i rummet.

Dölj