John Hopfield

1.1. Thời thơ ấu và giáo dục

John Joseph Hopfield sinh năm 1933 tại Chicago, Hoa Kỳ. Cha ông là John Joseph Hopfield (tên khai sinh ở Ba Lan là Jan Józef Chmielewski) và mẹ ông là Helen Hopfield (nhũ danh Staff), cả hai đều là những nhà vật lý nổi tiếng.

Hopfield nhận bằng Cử nhân Nghệ thuật chuyên ngành vật lý từ Đại học Swarthmore ở Pennsylvania vào năm 1954 và bằng Tiến sĩ vật lý từ Đại học Cornell vào năm 1958. Luận án tiến sĩ của ông có tựa đề "Một lý thuyết cơ học lượng tử về đóng góp của exciton vào hằng số điện môi phức tạp của tinh thể". Người hướng dẫn luận án của ông là Albert Overhauser. Sau khi hoàn thành học vị tiến sĩ và một học bổng Guggenheim tại Phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge, Hopfield đã có một sự thay đổi đáng kể trong định hướng nghiên cứu, chuyển từ vật lý lý thuyết sang giao thoa giữa vật lý và sinh học, một lĩnh vực mới nổi nhờ những tiến bộ trong sinh học định lượng.

2.1. Sự nghiệp ban đầu và nghiên cứu

Sau khi tốt nghiệp, Hopfield dành hai năm làm việc trong nhóm lý thuyết tại Bell Laboratories. Tại đây, ông đã nghiên cứu về tính chất quang học của chất bán dẫn cùng với David Gilbert Thomas. Sau đó, ông hợp tác với Robert G. Shulman để phát triển một mô hình định lượng mô tả hành vi hợp tác của hemoglobin. Năm 1976, ông tham gia một bộ phim khoa học ngắn về cấu trúc của hemoglobin, cùng với Linus Pauling.

Năm 1973, Hopfield cùng với William C. Topp đã giới thiệu khái niệm về pseudopotential bảo toàn chuẩn, một công cụ quan trọng trong tính toán cấu trúc điện tử của vật liệu.

2.2. Các vị trí học thuật

Hopfield đã giữ nhiều vị trí giáo sư tại các trường đại học hàng đầu:

• Đại học California tại Berkeley (vật lý, 1961-1964)
• Đại học Princeton (vật lý, 1964-1980)
• Viện Công nghệ California (Caltech, hóa học và sinh học, 1980-1997)
• Đại học Princeton (1997-nay), nơi ông hiện là Giáo sư danh dự Howard A. Prior về Sinh học Phân tử.

Từ năm 1981 đến 1983, Hopfield cùng với Richard Feynman và Carver Mead đã giảng dạy một khóa học kéo dài một năm tại Caltech mang tên "Vật lý Tính toán" (The Physics of Computation^English). Sự hợp tác này đã truyền cảm hứng cho việc thành lập chương trình tiến sĩ về Hệ thống Tính toán và Thần kinh tại Caltech vào năm 1986, trong đó Hopfield là một trong những người đồng sáng lập.

2.3. Các học trò

Nhiều cựu sinh viên tiến sĩ dưới sự hướng dẫn của John J. Hopfield đã trở thành những nhà khoa học nổi bật trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Gerald Mahan (Tiến sĩ năm 1964)
• Bertrand Halperin (Tiến sĩ năm 1965)
• Steven Girvin (Tiến sĩ năm 1977)
• Terry Sejnowski (Tiến sĩ năm 1978)
• José Onuchic (Tiến sĩ năm 1987)
• Li Zhaoping (Tiến sĩ năm 1990)
• David J. C. MacKay (Tiến sĩ năm 1992)
• Erik Winfree (Tiến sĩ năm 1998)

3.1. Vật lý chất rắn và Cơ học lượng tử

Trong công trình tiến sĩ năm 1958, Hopfield đã nghiên cứu về sự tương tác của exciton trong tinh thể và đặt ra thuật ngữ polariton^English cho một quasiparticle xuất hiện trong vật lý chất rắn. Ông đã viết: "Các 'hạt' trường phân cực tương tự như photon sẽ được gọi là 'polariton'." Mô hình polariton của ông đôi khi được biết đến với tên gọi Hopfield dielectric^English.

Từ năm 1959 đến 1963, Hopfield và David G. Thomas đã cùng nhau nghiên cứu cấu trúc exciton của cadmium sulfide từ phổ phản xạ của nó. Các thí nghiệm và mô hình lý thuyết của họ đã giúp hiểu rõ hơn về quang phổ học của các hợp chất bán dẫn nhóm II-VI.

Nhà vật lý chất rắn Philip W. Anderson đã tiết lộ rằng John Hopfield là "cộng tác viên ẩn danh" của ông trong các công trình từ năm 1961-1970 về mô hình tạp chất Anderson, vốn giải thích hiệu ứng Kondo. Mặc dù Hopfield không được liệt kê là đồng tác giả trong các bài báo, Anderson đã thừa nhận tầm quan trọng của đóng góp của Hopfield trong nhiều bài viết của mình.

3.2. Vật lý sinh học và Hệ thống sinh hóa

Năm 1974, Hopfield đã giới thiệu một cơ chế sửa lỗi trong phản ứng sinh hóa được gọi là kinetic proofreading^English (kiểm duyệt động học) để giải thích độ chính xác cao trong các quá trình sinh tổng hợp đòi hỏi tính đặc hiệu cao, ví dụ như trong sao chép DNA.

3.3. Mạng nơ-ron và Trí tuệ nhân tạo

Năm 1982, Hopfield công bố bài báo đầu tiên của mình trong lĩnh vực khoa học thần kinh, có tựa đề "Mạng nơ-ron và các hệ vật lý với khả năng tính toán tập thể nổi bật" (Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities^English). Trong đó, ông giới thiệu mạng Hopfield, một loại mạng nơ-ron nhân tạo có thể hoạt động như một bộ nhớ truy cập theo nội dung, được cấu tạo từ các nơ-ron nhị phân có thể ở trạng thái 'bật' hoặc 'tắt'. Ông đã mở rộng công thức của mình cho các hàm kích hoạt liên tục vào năm 1984. Hai bài báo này là những công trình được trích dẫn nhiều nhất của ông. Hopfield cho biết cảm hứng cho công trình này đến từ kiến thức của ông về spin glass^English từ sự hợp tác với P. W. Anderson.

Cùng với David W. Tank, Hopfield đã phát triển một phương pháp vào năm 1985-1986 để giải các bài toán tối ưu hóa rời rạc dựa trên động lực học thời gian liên tục sử dụng mạng Hopfield với hàm kích hoạt liên tục. Bài toán tối ưu hóa được mã hóa trong các tham số tương tác (trọng số) của mạng. Nhiệt độ hiệu quả của hệ thống tương tự được giảm dần, tương tự như trong tối ưu hóa toàn cục bằng giả lập luyện kim (simulated annealing).

Các mạng Hopfield ban đầu có bộ nhớ hạn chế. Vấn đề này đã được Hopfield và Dimitry Krotov giải quyết vào năm 2016. Các mạng Hopfield có khả năng lưu trữ bộ nhớ lớn hơn hiện được gọi là mạng Hopfield hiện đại.

3.4. Khoa học thần kinh tính toán và Hệ thống phức tạp

Hopfield là một trong những người tiên phong của giả thuyết não bộ tới hạn (critical brain hypothesis). Ông là người đầu tiên liên kết mạng nơ-ron với tính tự tổ chức tới hạn (self-organized criticality) vào năm 1994, liên quan đến mô hình Olami-Feder-Christensen cho các trận động đất. Năm 1995, Hopfield và Andreas V. Herz đã chỉ ra rằng các hiện tượng "avalanches" (dạng thác) trong hoạt động thần kinh tuân theo phân bố luật lũy thừa, tương tự như các trận động đất.