Les découvertes d’Alan Turing: "le père de l'informatique"

Premère partie.

I) Conséquences de ses travaux sur son époque

1) Biographie : Alan Mathison Turing

Alan Turing est un scientifique de génie plutôt méconnu. Pourtant il a très largement contribué à l'invention de l'informatique et il eût un rôle déterminant lors de la seconde guerre mondiale.

Alan Mathison Turing naît le 23 juin 1912 à Londres. Dès son plus jeune âge, il s'avère être un élève brillant et passionné de sciences. À 15 ans, il fait la rencontre de Christofer Morton, qui partage ses intérêts. Le décès de son ami en 1930 est décisif dans sa carrière : il décide d'accomplir tout ce que Christofer aurait dû faire dans sa vie de mathématicien. Il intègre donc en 1931 le très sélectif King's College de Cambridge et reçoit son diplôme de mathématiques en 1933. Dès 1936, il se penche sur le problème de la décidabilité, ce qui l'amène à développer une thèse sur l'hyper-calcul et, plus tard, à concevoir la Machine de Turing.

Quand la guerre se déclare, il s'engage dans l'armée britannique dans laquelle il travaille au déchiffrement des messages de la marine allemande. Il y améliore Bombe : il s'agit d'un système de décryptage d'Enigma qui ne marchait que pour d'anciennes versions de celle-ci (qui avait été améliorée et complexifiée par l'armée allemande). Son nouveau système de décryptage finit par fonctionner, après de longues heures de travail et de nombreux échecs, permettant de connaître les positions des bâtiments de la marine allemande. Les spécialistes estiment que deux ans de guerre au moins ont été évités grâce à sa participation.

Après la guerre, Alan Turing travaille à l'institut national de physique de Grande Bretagne et aide à la conception d'un prototype de calculateur électronique. Il élabore aussi ce que l'on appelle aujourd’hui le « test de Turing » en 1950, qui permet de déterminer si un interlocuteur est une machine ou un humain. Il travaille aussi sur la Machine de Turing, l'intelligence artificielle et sur multiples problèmes d'algorithmie.

Tous ses travaux, aussi variés soient-ils, sont reliés les uns aux autres par une question que Turing se posera toute sa vie : que peut-on faire par des moyens purement mécaniques ? Turing est condamné, pour son homosexualité, à la castration chimique en 1952 et se suicide le 7 juin 1954 à Wilmslow. Les circonstances de sa mort restent très étranges, puisqu'il semble que son intérêt pour le film Blanche-Neige de Walt Disney l'ait poussé à se tuer en croquant une pomme empoisonnée...

2) Sa contribution lors de la seconde guerre mondiale

Si nous nous intéressons à Alan Turing, c'est principalement pour son rôle et son impact lors de la guerre. Nous essayerons donc de comprendre comment un mathématicien a pu contribué de manière décisive à la victoire des Alliés, sans arme ni violence. Pour cela, nous nous pencherons sur le fonctionnement de la machine de cryptage allemande Enigma, puis sur Bombe, et enfin sur l'impact concret de ses travaux.

a) Enigma : la machine de cryptage allemande

Pour comprendre comment Alan Turing a contribué à la victoire de la seconde guerre mondiale, il faut se pencher sur Enigma et sur la Bombe.

Enigma est une machine à chiffrer inventée par Arthur Scherbius et Richard Ritter en 1918. Elle est composée de trois rotors numérotés de 1 à 26 qui fonctionnent comme un conteur kilométrique (lorsque le premier finit un tour, le second augmente d'un), ainsi que d'un câblage manuel qui associe des paires de lettres.

Lorsqu'une lettre est tapée, un signal électrique part de celle-ci jusqu'à la lettre avec laquelle elle est associée par le câblage. Par exemple, on veut coder un A : en sortie du câblage A sera devenu I. Puis le signal va dans le premier rotor, dans notre exemple à la place 14, cela va associer à A une autre lettre, T, et le premier rotor va tourner d'une position. Ainsi de suite, le signal électrique va traverser les rotors suivants avec en sortie du troisième rotor une autre lettre : L. Il va ensuite faire le circuit inverse et traverser de nouveau les rotors. Finalement, la lettre en sortie est encore différente (puisque le premier rotor a tourné d'une position), disons O. Le signal continue jusqu'aux câblages où O est associé à S. Le circuit se finit à une lampe qui correspond à la lettre S et qui s'allume.

Cependant, si l'on veut taper deux A à la suite, le second A fera de nouveau le circuit, mais la position des rotors aura augmenté de un lors du passage du signal électrique venant du premier A, le premier rotor est maintenant à la position 15. Donc on aura forcément une autre lettre que S en sortie.

Parcours du circuit électrique d'Enigma dans cet exemple:

De plus, le câblage associe des paires de lettres, ce qui signifie qu'une lettre ne sera jamais identique à elle-même en sortie.

Les ordres pour les armées allemandes étaient transmis codés par radio et les officiers allemands possédaient un carnet sur lequel étaient indiquées les positions quotidiennes des rotors et des câbles, ce qui leur permettait de traduire rapidement chaque message, sans risque de le voir utiliser par l'ennemi.

A l'époque Enigma semblait incassable, avec plus de 159 milliards de milliards de possibilités de réglages initiaux. De plus, la position des rotors et des câblage était modifiée chaque jour à minuit.

Mais Enigma présente quelques faiblesses que Alan Turing a su exploiter, notamment le fait qu'une lettre ne peut être elle-même en sortie. De plus la rigueur de l'armée allemande a joué en sa faveur...

b) Bombe, ou comment Turing a triomphé d'Enigma

Les alliés qui récupéraient par radio les codes d'Enigma avaient mis en place un premier système de décryptage incompétent :Prenons comme exemple que le code TZPBEPI a été intercepté par Alan Turing. Il sait que les allemands ont envoyé TPE dans leur rapport or aucune lettre ne peut être elle-même en sortie, donc Turing va décaler le mot TPE sur le code et comparer jusqu'à ce qu'aucune lettre ne soit en commun :

Ici, Alan Turing en déduit que TPE est crypté par BEP.

Bien évidemment, la réalité était plus complexe que dans cet exemple et d'autres mots plus longs étaient recherchés dans le code, permettant ainsi une plus grande précision : « Wetterbericht » et « Heil Hitler ». En effet, à 6h00 ils savaient que tous les matins un rapport météo était envoyé (« Wetterbericht » : rapport météo) par l'armée allemande et qu'il se finissait par « Heil Hitler ». Par le même procédé, les décrypteurs trouvaient avec quoi correspondaient les mots dans la suite de lettres du code. La suite du décryptage est fait de suppositions :

- T est relié avec H par le câblage manuel, les rotors 1, 2 et 3 sont respectivement dans la position 15, 3 et 21,en sortie des rotors, H est devenu Y, Y est connecté avec B par le câblage.

On fait ces suppositions pour chaque lettre jusqu'à ce qu'il y ait une contradiction : E est relié avec B par le câblage.

Donc toute la démarche est fausse, il faut recommencer à faire des suppositions avec les 25 possibilités d'association de T par le câblage. Si celles-ci sont toutes fausses, donc contradictoires, on en déduit que la position des rotors choisie est la mauvaise alors on augmente d'un le premier (Les rotors 1, 2 et 3 sont respectivement dans la position 15, 3 et 22) et on recommence depuis le début les suppositions. Le décryptage par ce procédé d'Enigma prendrait 5 milliard d’années. Alan Turing trouve deux moyens de faciliter et d’accélérer celui-ci :

- Quand on fait une supposition et qu'il y a une contradiction, tous les éléments de la suppositions (K est relié avec Q, V est relié avec N…) sont faux. Cela permet donc de ne pas les revérifier plus tard.

- Tous ces essais et suppositions peuvent être réalisés bien plus rapidement avec un circuit électrique qui fonctionne par élimination : Bombe. Finalement, ce n'est plus qu'en 20 minutes qu'Enigma était décryptée.

c) Concrètement, quel impact ?

L’opération « Fortitude » est une opération destinée à tromper l’armée allemande sur le lieu du débarquement. Grâce au décryptage d’Enigma, Turing et ses coéquipiers ont pu vérifier son bon fonctionnement (à travers les messages envoyés par le camp adverse).

Le débarquement en Normandie le 6 juin 1944

De nombreuses autres opérations ont aussi été possibles grâce à ses travaux, concernant principalement la défense de navires lors d'attaques prévues. Cependant, afin de ne pas éveiller les soupçons de la marine allemande, et qu’elle ne cesse pas d’utiliser Enigma, les forces alliées ne pouvaient pas agir à chaque attaque, ou devaient justifier leurs interventions par un avion de reconnaissance qui survolait la zone « par hasard » et signalait les positions des navires ennemis.

Alan Turing a su exploiter les faiblesses d'Enigma, et ainsi sauver des centaines de milliers de vies et éviter près de deux ans de guerre. Avec Bombe, c'est la première fois dans l'histoire qu'un camp obtient les informations secrètes du camp adverse lors d'une guerre. De plus, les idées de décryptage de Turing ont largement fait évoluer cette science, jusqu'ici réservée à la compréhension de textes.

II) Les conséquences de ses travaux sur notre époque.

1) Travaux sur ce qui deviendra l'informatique.

Alan Turing est considéré comme le père de l'informatique moderne. Ses nombreux travaux et sa fascination pour le sujet l'ont mené à une machine complètement nouvelle à son époque, théorique pour lui, mais qui se concrétisera quelques années plus tard : la machine de Turing.

Dès 1936, Alan Turing se penche sur un modèle de machine totalement abstrait permettant d'écrire des suites de caractères lisibles par n'importe quel autre dispositif du même genre (un algorithme), qui sera nommé la Machine de Turing. Avec celle-ci, il tente de répondre à la question : existe-t-il un algorithme qui décide si un énoncé est valide ou non ? Cette question est le résumé simplifié du problème de la décidabilité.

Sa machine n'est qu'une version de la machine à écrire, mais que l'on peut contrôler à l'aide d'un programme. Une machine à écrire peut écrire ou effacer un symbole sur la feuille, avancer ou reculer. Au lieu d'opérer en deux dimensions sur une feuille de papier, la machine de Turing utilise une bande s'étirant à l'infini à gauche et à droite, et segmentée en cases pouvant contenir chacune un symbole. Une tête de lecture/d'écriture opère sur la bande en suivant les règles du programme.

La bande joue à la fois le rôle d'entrée et de sortie. Initialement vierge, on y inscrit les données à traiter par le programme. Pendant l'exécution du programme, la tête de lecture/d'écriture peut se déplacer à gauche ou à droite, lire le contenu de la case sur laquelle elle se trouve, l'effacer ou y écrire un symbole. À la fin de l'exécution du programme, les mots sur la bande constituent le résultat du calcul.

Les fonctions pouvant être calculées par la machine de Turing sont appelées fonctions Turing calculable. Au contraire, elles sont appelées fonctions non Turing calculable. Alan Turing a posé les bases de l'informatique moderne. Tous les ordinateurs aujourd'hui sont construits sur le même principe de fonctionnement. Sans Alan Turing, nous pouvons donc penser que les ordinateurs n'existeraient pas, ou du moins auraient été développés bien plus tard.

2) Où trouve-t-on ses travaux aujourd’hui ?

La machine de Turing que nous avons déjà évoquée ainsi que la Bombe sont les ancêtres des ordinateurs actuels, créés, en partie, grâce aux inventions de Turing . De plus, on utilise de nos jours le fameux test qui porte son nom : le test de Turing. Ce test a été imaginé par Alan Turing en 1950. Il vise à reconnaître, à travers de nombreuses questions posées par l’intermédiaire de terminaux anonymes, si l'entité en face est une machine ou un humain. Aujourd'hui, dans un monde où l'intelligence artificielle prend une place de plus en plus importante, ce test est extrêmement utile.

Imaginons qu'il y ait une pièce A, dans laquelle un humain pose des questions à deux autres entités, situées dans deux pièces séparées B et C. L'une de ces deux entités est, sans que les deux autres ne soient au courant, une machine. L'entité dans la dernière pièce est, lui, un humain. La personne dans la pièce A pose des questions et les individus des pièces B et C répondent de telle sorte qu'un dialogue se crée. La personne de la salle A, au fil du dialogue, doit deviner quelles réponses viennent de la machine. S'il n'en est pas capable, alors la machine a réussi le test.

Voici un exemple de test de Turing. L'entité testée est-elle un humain ou une machine ?

Examinateur : Aimez-vous le printemps ? Entité: Ça dépend de mon humeur. Examinateur : Combien font 11 et 11 ? Entité : 22. Examinateur : Et 512 + 512? Entité : Je n'ai jamais été doué en calcul mental. Examinateur : Ce n'est pas grave, essayez. Entité: Voyons, 1000 quelque chose. 1024 je pense. Examinateur : Récitez-moi un poème. Entité : La servante au grand cœur dont vous étiez jalouse. Et qui dort son sommeil sous une humble pelouse… Examinateur : Pourquoi ne remplacez-vous pas "au grand cœur" par "au grand air" ? À mon avis ce serait plus joli. Entité : Je l'aime mieux tel quel.Examinateur : Pourquoi? Entité : Vous n'êtes pas sérieux. "Au grand air" et "au grand cœur" ce n'est pas pareil. Examinateur : Alors remplacez "Et qui dort son sommeil" par "qui tristement sommeille". Entité : Vraiment, je l'aime mieux tel quel. Examinateur : Pourquoi ? Entité : Le rythme du poème est meilleur. >Examinateur : Ce n'est pas mon avis. Entité : Vous aimez Baudelaire? Examinateur : Oui. Entité : Moi aussi.Examinateur : Pourquoi ? Entité : Je trouve qu'il exprime des sentiments profonds qui correspondent souvent à ce que je peux éprouver. Et puis peut-être aussi que ça me rappelle la période où je l'ai lu pour la première fois quand j'étais ado. Examinateur : Vous aimez l'art? Entité : Oui. Examinateur : Vous peignez ? Entité : Comme un pied. Je suis plus attiré par la musique. Examinateur : Vous jouez d'un instrument? Entité : Oui, du piano. Examinateur :Jouez-nous un morceau. Entité : Je n'ai pas d'instrument.

Comment peut-on connaître la nature de l'entité interrogée ?

« L'entité ne fait jamais appel à une espèce de 'bon sens' ni à la vie quotidienne. Les réponses qu'elle donne ne nécessitent pas une vraie compréhension des questions. Elle repère les questions (elles se terminent par un point d’interrogation) et les ordres (le mode impératif). Enfin, dans l'interrogation sur le poème, elle refuse les substitutions proposées par l'examinateur avec des réponses passe-partout qui ne supposent pas une vraie compréhension du sens. » C'est donc une machine. Actuellement, malgré toutes les avancées dans ce domaine, on ne sait toujours pas créer un intelligence artificielle capable de passer ce test avec succès.

De nos jours, le test de Turing est très largement utilisé par les créateurs d'IA, afin de savoir si leur machine est suffisamment intelligente pour passer pour un humain. Cependant, ce test possède des limites : pour effectuer certaines opérations rendant plus crédible sa personnalité humaine, la machine bride ses capacités. Si on lui demande un calcul compliqué, elle fera semblant d'être incapable de l'effectuer. Les capacités du test de Turing possèdent donc un plafond non négligeable.

Mais malgré les limites de son test, on peut dire que Turing a créé quelque chose d’extraordinaire : des années avant le premier essai d'intelligence artificielle concrète, il a inventé un test permettant de les évaluer. Cette création permet de mettre en valeur le caractère novateur d'Alan Turing, et son génie évident.

III) Quel futur pour l'informatique et l'intelligence artificielle?

On ne compte plus aujourd'hui le nombre de séries, de films ou de livres qui s'interrogent sur notre futur et la place de l'informatique - en particulier celle de l'intelligence artificielle - dans la société. Terminator, Black Mirror, Ex Machina, Matrix, Wall-E… Utopies ou dystopies, cela témoigne bien de notre peur (ou de notre envie...) d'une évolution démesurée de l'intelligence artificielle.

1) Les lois de Moore

Un processeur est la partie de l’ordinateur exécutant les programmes. Il est composé de transistors, qui sont l’équivalent des neurones de l’ordinateur. Gordon Moore est l’un des créateurs de la société Intel, qui a été le premier en 1971 à commercialiser des microprocesseurs.

Gordon Moore avait affirmé en 1965 que le nombre de transistors par processeur de même taille allait doubler (donc la puissance de l’ordinateur aussi), à prix constants, tous les deux ans, en raison de la taille de plus en plus petite des transistors. Cependant, ces lois ont une limite : celle de la taille d’un atome, les transistors ne pouvant évidement pas aller au-delà. Or, nous avons presque atteint cette limite, fixée aux environs de 2017 : il est donc peu aisé de prédire comment l’informatique évoluera. Malgré cela, les scientifiques ont plusieurs pistes de recherche, telles que le parallélisme (système permettant à un transistor d’effectuer plusieurs tâches en même temps) ou les processeurs neuromorphiques (s’inspirant du cerveau), mais aucune ne semble vraiment prometteuse. La stabilité des lois de Moore touchant à sa fin, l'avenir de l'informatique n'est pas assuré. Les progrès concernant les capacités de nos ordinateurs seront un réel défi pour les scientifiques, tant ceux d'aujourd'hui que ceux de demain.

2) L’IA et autres suppositions

Nous avons vu que les scientifiques prévoyaient de grandes avancées informatiques et nous imaginons mal un futur sans une place considérable qui lui soit accordée. Nous verrons pourquoi l’évolution de l’IA inquiète certains et, si aujourd’hui on ne remet pas en question les bénéfices de l’informatique, qu’en sera-t-il de demain ? Pour répondre à cette question nous étudierons ce qu’est une IA et les possibles scénarios futurs.

a) Le concept d’IA

Une intelligence artificielle (IA) est une machine capable de penser comme l’Homme, ou même capable de le dépasser en intelligence. C'est dans un article d'Alan Turing écrit en octobre 1950 qu'apparaît pour la première fois l’adjectif « consciente » pour qualifier un ordinateur ou une machine. Si une « vraie » IA ne verra pas le jour avant longtemps, beaucoup d’essais ont été réalisés pour s’en approcher. En effet, on peut retrouver sur n’importe quel smartphone ou ordinateur des applications ou des sites permettant de discuter avec des « chatbots » (qui sont des robots informatiques créés dans ce but). Cependant, ils sont encore loin, en terme de réflexion et de compréhension, d’un être humain et ne sont pas crédibles en tant que tels (on se rend très vite compte que l’on parle à un robot). Beaucoup d’études ont été menées sur ce sujet, notamment de grandes firmes telles que Google (avec Google Brain, qui travaille sur différents projets, tels que le Projet Magenta, qui vise à développer le sens artistique dans une machine) ou Sony.

b) Deux théories sur l’avenir de l’IA

*La singularité technologique : La singularité technologique est un concept supposant que si l’Homme parvient à créer une intelligence artificielle (plus complexe que lui), celle-ci en crée une nouvelle, plus puissante encore, qui en crée une autre, et ainsi de suite.

Cependant, dans son livre « Une brève histoire du futur », le futurologue Michio Kaku explique qu'aujourd'hui même l'intelligence du plus développé des robots ne dépasse celle d'un insecte. Cela est du à deux soucis : la reconnaissance d'objets et de visages, ainsi qu'à un cruel manque de bon sens. En effet, ASIMO, le robot actuellement le plus développé et le plus intelligent ne réussira qu'avec peine à discerner une chaise ou une table, ce que même une fourmi arriverait à faire. ASIMO aurait aussi du mal à comprendre des faits qui ne se basent sur aucune règle scientifique : « Un enfant aime les bonbons mais pas les punitions ».

Alors pour qu'un ordinateur possède l'intelligence d'un homme, on estime qu'il nécessiterait la puissance d'une centrale nucléaire pour le faire fonctionner et il faudrait détourner un fleuve de son cours d'eau pour le refroidir. Cette estimation semble briser cette théorie de la singularité puisqu'elle est totalement irréalisable... Rappelons tout de même que la futurologie n'est pas une science exacte et il est fort possible que de nouvelles technologies puissent amener à une telle intelligence.

*Le Basilic de Roko: Un anonyme, Roko, a posté sur un site dédié à des discussions sur divers sujets (tels que la philosophie ou l’intelligence artificielle) un article qui a provoqué beaucoup de réactions. Dans ce post, il explique que si, un jour il existait une IA toute puissante, celle-ci pourrait punir rétroactivement tous ceux qui connaîtraient son existence future et qui n’auraient pas participé ou facilité sa conception. Cependant, pour appliquer cette punition, il n’est pas nécessaire que ces personnes soient encore en vie : pour les singularitaristes, comme Roko, une simulation parfaite d’une personne revient à être cette personne. Si une IA (qui n’existe pas encore) parvient à la simuler de manière exacte, elle se sentira autant concernée par ce qui arrive à sa simulation que par ce qui lui arrive à elle. Si un ordinateur fait mal à la simulation qui vous représente, c’est comme s’il vous faisait mal à vous.

La communauté de LessWrong a été terrorisée par ces idées. En tant que singularitaristes, ils sont convaincus que cette IA va arriver, la seule question est « quand ? ». Étant au courant de son arrivée future, il ne leur reste que deux possibilités : dépenser tout leur temps et leur argent pour aider cette IA à venir au monde ou souffrir dans un enfer numérique et éternel. Pourtant, dans son article, Roko ne dit pas que son IA est maléfique, au contraire. Elle est une IA bénéfique et bienveillante pour les hommes. Dans ce cas, comment arrive-t-on à ce paradoxe ? Roko pense qu’une telle IA serait capable d’agir pour sauver des milliers d’humains à la seconde et qu’elle le sait. Partant de là, chaque seconde qui s’écoule sans sa présence est autant de vies sauvées en moins. L’IA menace donc les personnes au courant de son existence future, mais dans le but d’accélérer sa propre venue au monde et sauver plus de vies.

Si cette IA parait extrêmement tordue et peu réaliste, elle n’en a pas moins été accueillie avec beaucoup d’anxiété.

Et méfiez vous ! Vous êtes à présent au courant de son existence...

Les intelligences artificielles sont un mélange de science-fiction et de réalité : elles ont toujours eu un rôle important au cinéma, mais commencent à émerger dans notre quotidien. Si certaines incertitudes et appréhensions existent dans ce domaine, les IA n'en restent pas moins un sujet de recherche intéressant, pour notre avenir et celui des sciences. Le futur de l'informatique est incertain, et les scientifiques se penchant sur la question sont en pleine recherche d'idées et de concepts, dont peu sont réellement exploitables malheureusement. Cependant, les avancées rapides en matière de technologie permettent d'espérer de nouvelles manières d'explorer le sujet…