دانشمند جوانی که سد ۵۰ ساله در علوم رایانه را شکست

شایان اویس‌قَرَن، پژوهشگر ایرانی علوم رایانه و استاد دانشگاه واشینگتن، مدال آباکوس سال ۲۰۲۶ اتحادیه بین‌المللی ریاضیات را دریافت کرده است؛ جایزه‌ای که به دستاوردهای برجسته پژوهشگران جوان در بخش‌های ریاضی علوم رایانه تعلق می‌گیرد.

کمیته این جایزه می‌گوید اویس‌قرن با وارد کردن ابزارهایی از شاخه‌هایی چون هندسه چندجمله‌ای‌ها، نظریه احتمال و نظریه طیفی گراف‌ها، شیوه تحلیل الگوریتم‌ها را گسترش داده و برای حل چند مسئله قدیمی علوم رایانه راه‌های تازه‌ای گشوده است.

پژوهش‌های او به‌ویژه در دو زمینه مورد توجه قرار گرفته‌اند: یافتن مسیرهای نزدیک به بهینه و نمونه‌گیری تصادفی از مجموعه‌های بسیار بزرگ و پیچیده.

مدال آباکوس هر چهار سال یک‌بار اهدا می‌شود و ادامه جایزه‌ای است که تا سال ۲۰۱۸ به نام رولف نوانلینا شناخته می‌شد. نامزد دریافت آن باید در آغاز سال برگزاری کنگره جهانی ریاضی‌دانان هنوز به ۴۰ سالگی نرسیده باشد. این جایزه از مهم‌ترین افتخارات بین‌المللی در علوم رایانه نظری به شمار می‌رود.

اما اهمیت کار اویس‌قرن تنها با فهرست کردن اصطلاح‌های تخصصی روشن نمی‌شود. بخش مهمی از مسیر علمی او به یکی از مشهورترین پرسش‌های علوم رایانه بازمی‌گردد: چگونه می‌توان کوتاه‌ترین مسیر ممکن را برای سفر میان چندین شهر پیدا کرد و در پایان به نقطه آغاز بازگشت؟

این پرسش که «مسئله فروشنده دوره‌گرد» نام دارد، در ظاهر ساده است. یک فروشنده، راننده یا مأمور توزیع باید از چند شهر یا مقصد عبور کند، هر کدام را یک بار ببیند و به نقطه نخست بازگردد. با افزایش شمار مقصدها، تعداد مسیرهای ممکن چنان سریع زیاد می‌شود که بررسی همه آنها عملاً ممکن نیست.

در چنین مواردی، پژوهشگران به جای یافتن پاسخ دقیق، الگوریتمی می‌خواهند که در مدت معقول مسیری نزدیک به بهترین مسیر را پیدا کند و بتوان تضمین کرد که نتیجه آن از حد معینی بدتر نخواهد بود.

از سال ۱۹۷۶، الگوریتم کریستوفیدس معیار اصلی برای نسخه متقارن این مسئله بود. این روش تضمین می‌کرد طول مسیر پیشنهادی حداکثر یک‌ونیم برابر کوتاه‌ترین مسیر ممکن باشد. نزدیک به نیم قرن، هیچ الگوریتمی نتوانسته بود این تضمین را حتی به اندازه‌ای اندک بهبود دهد.

اویس‌قرن ابتدا در دوره دکتری و سپس سال‌ها بعد همراه آنا کارلین و ناتان کلاین به این مسئله بازگشت. آنها سرانجام نشان دادند می‌توان از مرز یک‌ونیم عبور کرد؛ پیشرفتی که هرچند از نظر عددی کوچک به نظر می‌رسید، سدی نظری را شکست که چند نسل از پژوهشگران نتوانسته بودند از آن عبور کنند.

کلید این پیشرفت، انتخاب مسیر مستقیم نبود. اویس‌قرن و همکارانش مسئله را به زبان دیگری از ریاضیات ترجمه کردند. آنها مجموعه‌ای عظیم از ساختارهای ممکن در یک شبکه را به چندجمله‌ای‌هایی تبدیل کردند که می‌شد رفتارشان را با ابزارهای جبر، هندسه و احتمال بررسی کرد.

این ویژگی به یکی از مشخصه‌های اصلی کار اویس‌قرن تبدیل شده است: رفتن به سراغ حوزه‌ای که در نگاه نخست ارتباط روشنی با مسئله ندارد، یافتن ابزار مناسب در آن حوزه و سپس بازگرداندن نتیجه به مسئله اصلی. آنا کارلین، همکار او در دانشگاه واشینگتن، این توانایی را هنر برقرار کردن ارتباط میان موضوعاتی توصیف کرده است که ظاهراً از یکدیگر جدا هستند.

همین روش در زمینه دیگری نیز به نتیجه‌ای مهم انجامید. بسیاری از الگوریتم‌ها برای بررسی مجموعه‌های بسیار بزرگ، به انتخاب تصادفی نمونه‌ها متکی هستند.

برای مثال، در یک بازی ورق باید کارت‌ها چنان بُر زده شوند که ترتیب نهایی تقریباً تصادفی باشد. در مسائل پیچیده‌تر نیز رایانه باید از میان میلیاردها ساختار ممکن نمونه‌ای انتخاب کند که واقعاً نماینده کل مجموعه باشد.

یکی از روش‌های رایج برای این کار، زنجیره مارکوف است: الگوریتم از یک حالت آغاز می‌کند و با تغییرهای کوچک و تصادفی از حالتی به حالت دیگر می‌رود. مسئله اصلی این است که بدانیم این فرایند چه زمانی به اندازه کافی ادامه یافته و نتیجه آن دیگر به نقطه آغاز وابسته نیست.

در سال ۱۹۸۹، میلنا میهائیل و اومش وازیرانی حدسی را درباره سرعت این فرایند در ساختارهایی موسوم به پایه‌های ماتروید مطرح کردند. این حدس نزدیک به سه دهه اثبات‌نشده باقی ماند.

اویس‌قرن، نیما اناری، کویکوی لیو و سینتیا وینزنت با تبدیل مسئله به زبان چندجمله‌ای‌ها توانستند آن را اثبات کنند. این نتیجه سپس به شکل‌گیری چارچوبی عمومی‌تر برای بررسی سرعت همگرایی الگوریتم‌های نمونه‌گیری انجامید؛ چارچوبی که «استقلال طیفی» نام گرفت و در مدت کوتاهی بر بخش مهمی از پژوهش‌های مربوط به زنجیره‌های مارکوف اثر گذاشت.

شایان اویس‌قرن در سال ۱۳۶۵ در اصفهان و در میانه جنگ ایران و عراق متولد شد. او کوچک‌ترین فرزند یک خانواده پنج‌فرزندی بود. مادرش معلم زیست‌شناسی و پدرش مهندس عمران بود. به گفته اعضای خانواده، علاقه او به حل مسئله پس از آن جدی شد که برادر بزرگ‌ترش، که خود در المپیاد کامپیوتر شرکت کرده بود، کتابی از معماهای ریاضی در اختیار او گذاشت. شایان در سال ۱۳۸۳ مدال طلای المپیاد جهانی کامپیوتر را به دست آورد.

او در دانشگاه صنعتی شریف مهندسی کامپیوتر خواند و سپس برای ادامه تحصیل به ایالات متحده رفت. اویس‌قرن در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را از بخش علوم مدیریت و مهندسی دانشگاه استنفورد گرفت و پس از حدود یک سال و نیم پژوهش پسادکتری در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، در سال ۲۰۱۵ به دانشگاه واشینگتن پیوست. شایان اویس‌قرن اکنون استاد دانشکده علوم و مهندسی رایانه پل آلن در این دانشگاه است.

روایت فعالیت‌های علمی او نشان می‌دهد که پیشرفت در علوم رایانه همیشه به ساخت رایانه‌های سریع‌تر یا نوشتن برنامه‌های کاربردی تازه محدود نیست. بسیاری از جهش‌های بنیادی این رشته در قلمرو ریاضیات انتزاعی رخ می‌دهند؛ جایی که پژوهشگران می‌کوشند بفهمند چه مسئله‌ای قابل حل است، چه اندازه زمان برای حل آن لازم است و چگونه می‌توان از میان تعداد تقریباً نامحدودی از گزینه‌ها، پاسخی قابل اعتماد پیدا کرد.

کارهای اویس‌قرن نیز در همین مرز قرار دارند. نتایج پژوهش‌های او الزاماً به معنای عرضه فوری یک محصول یا نرم‌افزار تازه نیستند، اما ابزارهایی را توسعه می‌دهند که در درازمدت می‌توانند بر طراحی شبکه‌ها، برنامه‌ریزی حمل‌ونقل، بهینه‌سازی، یادگیری ماشینی و تحلیل سامانه‌های پیچیده اثر بگذارند.

مجله علمی کوانتا در گزارشی درباره او نوشته است که اویس‌قرن برخلاف پژوهشگرانی که تمام دوران حرفه‌ای خود را صرف چند روش آشنا می‌کنند، پیوسته به سراغ ابزارهای جدید می‌رود؛ اما این تنوع مانع از آن نشده است که سال‌ها با یک مسئله دشوار درگیر بماند و جزئیات اثبات‌های طولانی را دنبال کند. خودش پژوهش را نه رشته‌ای از لحظه‌های ناگهانی کشف، بلکه شبیه ساختن یک بنا، آجر به آجر، توصیف کرده است.

مدال آباکوس، در این معنا، تنها پاداش حل یک مسئله منفرد نیست. این جایزه تقدیر از روشی برای پژوهش است که در آن مرزهای میان جبر، هندسه، احتمال و علوم رایانه کنار زده می‌شوند. اویس‌قرن با همین جابه‌جایی میان حوزه‌ها توانسته است به پرسش‌هایی پاسخ دهد که سال‌ها در برابر روش‌های متعارف مقاومت کرده بودند.

رادیو فردا