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Oppenheim le Peu orthodoxe
À l'automne 1998, Yonina Eldar, PhD '02, était une étudiante diplômée de 25 ans au laboratoire de recherche en électronique du MIT, rencontrant son conseiller, Alan Oppenheim '59, SM '61, ScD '64, pour une première discussion sur son sujet de thèse. Eldar avait étudié la physique en tant qu'étudiante de premier cycle, mais au cours des trois années qui ont suivi, elle a obtenu une maîtrise en traitement du signal, rejoint une startup commercialisant la technologie sans fil et est devenue mère. J'étais très éloigné de la physique quand je suis venu lui parler, raconte Eldar, aujourd'hui professeur de génie électrique au Technion en Israël et professeur invité à Stanford.
Eldar s'attendait à ce qu'Oppenheim, qui dirige le groupe de traitement du signal numérique du MIT depuis le milieu des années 1960, suive la pratique de la plupart des directeurs de thèse et lui présente certains des problèmes non résolus dans son domaine avant de l'envoyer chez elle pour lire des articles qui l'aideraient concentrez-vous sur l'un d'eux. Mais ce n'est pas ce qui s'est passé.
Il m'a tout de suite dit : « Donc, je pense que ce serait bien d'utiliser la mécanique quantique dans le traitement du signal », dit-elle. Et je l'ai juste un peu regardé. Après avoir en quelque sorte pris le contrôle, j'ai dit: 'Bien sûr, cela pourrait être intéressant. Qu'avais-tu en tête ?' Et il m'a regardé et m'a dit : 'Je n'en ai absolument aucune idée. Pourquoi n'allez-vous pas le découvrir ?
C'est un lieu commun que les idées innovantes résultent souvent d'une pensée peu orthodoxe, mais peu de scientifiques essaient de cultiver l'orthodoxie avec le zèle qu'Oppenheim fait. L'expérience d'Eldar n'est pas atypique : Kevin Cuomo, par exemple, diplômé en 1993 du groupe d'Oppenheim, a écrit une thèse inspirée de la théorie du chaos, une branche des mathématiques plus généralement associée aux systèmes météorologiques qu'au traitement du signal ; Tom Baran, un étudiant diplômé actuel, trace des analogies entre le traitement du signal et la thermodynamique. D'autres étudiants ont trouvé des implications pour le traitement du signal dans la géométrie fractale et la physique des solitons (crêtes d'ondes qui conservent leur forme tout en parcourant de longues distances à une vitesse fixe). Mais si les thèses des étudiants d'Oppenheim peuvent être spéculatives dans leurs origines, elles sont très concrètes dans leurs résultats : à ce jour, elles ont conduit au dépôt de 19 brevets, dont un pour les travaux de Cuomo et quatre pour ceux d'Eldar.
Les exemples les plus intuitifs de traitement du signal impliquent des signaux de communication, tels que des appels téléphoniques, des transmissions radio ou des vidéos en streaming sur Internet. Le traitement peut signifier filtrer le bruit d'un appel, séparer la voix d'un DJ de l'onde électromagnétique qui l'encode ou compresser les données vidéo afin qu'elles prennent moins de bande passante. Mais de nombreux autres types d'informations peuvent également être considérés comme des signaux. La moyenne industrielle du Dow Jones, par exemple, est un signal qui véhicule des informations sur l'économie américaine ; la le journal Wall Street La moyenne mobile du Dow Jones sur 30 jours est une sorte de processeur de signal, filtrant une partie du bruit des fluctuations quotidiennes. Une image numérique peut également être considérée comme un signal : la couleur et la luminosité des pixels successifs sont comme les fréquences successives d'une transmission radio, et les techniques de traitement du signal peuvent affiner une image ou aider à identifier les objets qu'elle contient.
La grande variété de signaux et de moyens de les traiter donne à Oppenheim l'assurance que, quelle que soit la distance parcourue par les explorations intellectuelles de ses étudiants, ils finiront par retrouver leur chemin vers un problème pratique. Alors il les pousse à aller plus loin. Avoir un peu peur, c'est bien, dit-il. Si vous ne travaillez pas à la limite de votre zone de confort, votre zone de confort se rétrécira.
Eldar reconnaît que le caractère ouvert des questions qu'Oppenheim pose à ses étudiants pourrait être décourageant. Mais vous savez qu'il a déjà fait cela un million de fois, dit-elle, donc c'est en fait motivant, même si vous n'avez vraiment aucune idée de ce que vous recherchez. Baran est d'accord. Ce n'est pas comme si quelqu'un s'inquiétait vraiment de savoir s'il allait avoir une thèse ou non, dit-il. Al a une capacité étonnante à voir comment beaucoup de ces idées s'intègrent les unes aux autres.
La naissance du traitement numérique du signal
La première thèse décalée qu'Oppenheim a menée à son terme était la sienne. Aujourd'hui, la plupart des traitements de signaux sont effectués à la volée par des puces informatiques, mais ce n'était pas le cas lorsque Oppenheim était un étudiant diplômé au début des années 1960. À l'époque, les ingénieurs électriciens testaient de nouveaux algorithmes de traitement du signal sur des ordinateurs, mais l'exécution des algorithmes pouvait prendre des heures, voire des jours. Une fois qu'un algorithme avait fait ses preuves dans les simulations, il devait être câblé dans un circuit analogique avant de pouvoir être utilisé.
Mais le jeune Oppenheim était convaincu que la technologie informatique s'améliorerait au point de pouvoir suivre le rythme des signaux en temps réel. Avec le recul, je ne peux pas décider si c'était la naïveté d'un enfant qui pense que s'il continue de battre des bras, il finira par voler, dit Oppenheim. Mais je ne doutais pas qu'un jour la technologie le rendrait possible.
Pour sa thèse, Oppenheim a décrit une approche du traitement du signal qui était totalement impraticable avec des circuits analogiques. Après avoir obtenu son diplôme, il a rejoint la faculté du MIT, mais il a rapidement pris un congé pour faire des simulations de traitement du signal au Lincoln Lab. Les gros ordinateurs qui exécutaient ces simulations étaient en fait des processeurs de signaux numériques ; ils faisaient juste le traitement très lentement, sur des données stockées plutôt que sur des signaux en direct. Quand Oppenheim est revenu à l'enseignement, il a offert le premier cours de l'Institut sur le traitement du signal numérique, et le printemps suivant, avec l'aide de Ronald Schafer de Bell Labs, il a commencé à organiser ses notes dans le premier manuel du domaine, qui a été publié en 1975 et est encore largement utilisé aujourd'hui.
En décrivant le style de recherche de son groupe, Oppenheim aime la métaphore. Savez-vous à quel point une boule de bowling est intelligente ? aime-t-il demander. Une boule de bowling placée au sommet d'une colline, explique-t-il, trouvera le chemin le plus énergétique vers le bas, mais pour calculer le même chemin, un humain devrait résoudre un ensemble compliqué d'équations différentielles. La nature, selon Oppenheim, peut suggérer des moyens très efficaces de résoudre des problèmes complexes, et se tourner vers la nature pour s'inspirer est l'un des thèmes qui unifient les recherches diversifiées de son groupe.
La thèse d'Eldar en est un exemple. Les particules extrêmement petites - du ressort de la physique quantique - peuvent être décrites par une multitude de propriétés. Certains peuvent être compris intuitivement, comme la position et l'énergie ; d'autres sont plus ésotériques, comme le spin et la charge de couleur. Mais l'un des principes centraux de la physique quantique - le principe d'incertitude de Heisenberg - soutient que la mesure de l'une de ces propriétés rend l'une des autres inconnaissables. L'acquisition d'informations sur une propriété détruit les informations sur une autre.
Oppenheim et Eldar ont vu une analogie dans le cas d'un signal tellement corrompu par le bruit qu'il est impossible de récupérer toutes les informations qu'il contenait à l'origine. La physique quantique leur a fourni une nouvelle façon de penser pour effectuer des mesures sur le signal, afin d'extraire des informations de grande valeur.
Un autre slogan d'Oppenheim est qu'un plus un peut égaler trois : c'est-à-dire que la meilleure solution à un problème peut être non seulement contre-intuitive mais apparemment idiote. Dans certains environnements académiques, dit Oppenheim, proposer une idée décalée suscitera immédiatement la dérision. Je ne fais pas bien dans ce genre d'atmosphère, dit-il. Je me serre et je perds la capacité de penser debout. Mais dans d'autres environnements, dit-il, si vous laissez échapper sans réfléchir que un et un font trois, vos collègues vous aideront à donner un sens à la proposition d'une manière qui apportera finalement une nouvelle perspective à un problème périmé. C'est le type d'environnement, dit Oppenheim, qu'il essaie de favoriser dans les réunions de son groupe.
Lors des réunions de groupe hebdomadaires, il n'y a pas d'ordre du jour, explique Cuomo, qui après 20 ans au MIT Lincoln Lab est maintenant ingénieur chez Photonic Systems à Billerica, Massachusetts. Vous entrez simplement, et quoi que ce soit à l'esprit de quelqu'un, vous en discutez. Cela ressemble à un effort d'équipe, contrairement aux autres groupes de recherche. Ajoute Baran, Vous apprenez très vite qu'aucune idée n'est une mauvaise idée.
Professeur de l'enseignant
Tout le monde n'a pas le luxe d'adopter l'approche en roue libre d'Oppenheim, note Jim Preisig, un scientifique de la Woods Hole Oceanographic Institution qui a obtenu son diplôme du groupe d'Oppenheim en 1992. Il aurait des subventions qui lui donnaient beaucoup de latitude pour déterminer exactement les problèmes que nous résolvions, dit Preisig. Et il faut quelqu'un de sa stature pour pouvoir le faire. Mais pour Eldar, c'est une raison de plus pour apprécier d'avoir étudié avec Oppenheim. Une fois que vous êtes dans votre cheminement de carrière et que vous essayez de créer un laboratoire, de créer un groupe, vous ne pouvez pas rester assis là pendant trois ans et dire : « Hé, je vais voir comment la théorie des cordes s'applique à cela problème », dit-elle. Donc, avoir ces années est, je pense, quelque chose de vraiment précieux.
Qu'elle le sache ou non, Eldar fait écho aux conseils qu'Oppenheim a reçus de son propre directeur de thèse, Amar Bose '51, SM '52, ScD '56, fondateur de Bose Corporation et professeur au MIT pendant plus de 40 ans. Oppenheim dit que lorsqu'il rédigeait sa thèse de doctorat, il avait du mal à intéresser les professeurs dans son approche apparemment peu pratique du traitement du signal. Il envisageait d'abandonner le projet. Bose avait accepté de conseiller Oppenheim en raison de leur relation personnelle, bien que le sujet de la thèse soit quelque peu en dehors de son domaine d'expertise. Il m'a dit : 'Es-tu excité à ce sujet ? Vous y croyez ? », se souvient Oppenheim. Puis il a dit : « C'est probablement la dernière fois de votre vie que vous aurez l'occasion de répondre à une question simplement parce qu'elle est intéressante. Si vous y croyez, vous devriez le faire.
Une autre chose qu'Oppenheim dit avoir apprise de Bose était d'apprécier jusqu'où son influence en tant qu'enseignant pouvait atteindre. Ce qui est merveilleux avec l'enseignement, c'est que vous avez un impact sur une génération, ils partent et deviennent des enseignants et ont un impact sur une génération, et ainsi de suite, dit-il.
En 1988, Oppenheim a remporté le prix éducatif le plus élevé de l'IEEE, qui a été présenté lors d'une cérémonie présidée par James Kaiser, SM '54, ScD '59, et à laquelle ont assisté plus d'un millier de personnes. Avant de présenter Oppenheim, Kaiser a demandé combien de membres du public avaient été des étudiants dans son groupe de recherche. Une dizaine de personnes se sont levées. Ensuite, Kaiser a demandé qui avait été conseillé par l'un des étudiants d'Oppenheim. Un groupe plus important se leva. Ensuite, Kaiser a demandé à tous ceux qui avaient suivi l'un des cours d'Oppenheim de se lever, puis à l'un des cours de ses élèves, puis à tous ceux qui avaient lu le livre d'Oppenheim. À la fin, presque tout le monde dans la pièce était debout.