阿兰·图灵的神秘“Delilah”项目：被遗失的故事 [译]

图灵笔记中的独家内容，展现了他“动手实干”的工程方法

最近有一批文献在拍卖会上以接近50万美元的价格成交，内容涉及阿兰·图灵（Alan Turing）主持的一项高度机密的语音加密项目，最终成果是一台名为“Delilah”的加密机器。

图灵照片来自：Archivio GBB/contrasto/Redux Pictures
Delilah机照片来自：英国国家档案馆（The National Archives, London）
笔记本来自：Bonhams拍卖行

1945年5月8日，即欧洲胜利日（Victory in Europe Day），随着德军无条件投降，第二次世界大战的欧洲战事正式结束。此时，阿兰·图灵与他的助手唐纳德·贝利（Donald Bayley）在英国乡村深处的一间秘密电子实验室里，低调地以“英国式”的方式庆祝胜利——一起去散了个长步。过去一年多里，贝利一直与图灵并肩工作，但他对图灵在另一处机要单位——距此10英里、位于乡间的布莱切利庄园（Bletchley Park）所从事的破译工作却知之甚少。后来贝利和全世界才知道，布莱切利庄园正是大型破译行动的核心基地，规模前所未有。

当他们在林中空地坐下休息时，贝利提到：“战争结束了，现在是和平时期了，你可以告诉我们一切了吧。”

“别傻了，”图灵答道。

“那次对话就这样终结了。”贝利在67年后回忆道。

如今，图灵在二战期间的破译工作已为众人所熟知，他更因奠基计算机科学和人工智能的先驱地位而闻名。可人们对他在电气工程领域的贡献却相对陌生。但这种情况或许即将改变。

2023年11月，被昵称为“贝利文件（Bayley papers）”的一大批二战时期文献在伦敦拍出，成交价近50万美元。这批此前未知的资料里，有相当多是图灵亲笔撰写的内容，记录了他在1943年至1945年主持的高度机密“Delilah”项目。这是一种便携式语音加密系统，以《圣经》故事中“出卖男子秘密”的“大利拉（Delilah）”命名。文件里也有贝利撰写的材料，包括他在图灵讲解时所做的笔记。之所以这些资料得以保留，要感谢贝利本人：他一直珍藏到2020年去世，距图灵逝世已经过去66年。

英国政府在得知这批文献即将被拍卖后，迅速下令禁止其出口，称这是“国家历史的重要组成部分”，必须“让英国买家有机会收购”。我本人曾在拍卖前得以接触这批材料，并受拍卖行委托对其中的技术资料进行鉴定。事实证明，“贝利文件”为我们揭示了一个全新面貌的——工程师图灵。

在那段时间里，图灵正从“纯粹抽象”迈向“具体实践”。这些文件呈现了他从战前聚焦在数学逻辑与数论领域，转而投身电路、电子学以及工程数学的转型历程。

阿兰·图灵的 Delilah 语音加密项目

在战争期间，图灵意识到，加密领域的新前沿在于“语音”加密。此前常见的加密设备，如日军的“紫码机” (Purple)、英军的 Typex，以及德军著名的 Enigma 和SZ42电传打字机系统，都是用于加密文字的；但指挥官们在战场上需要的往往是方便的语音通信，而不是只能输入文字的装备。

当时美国贝尔实验室在1942至1943年研制了先驱性的语音加密系统——SIGSALY，但那套设备过于庞大，重达50吨，占据了整间机房。图灵在了解这一系统后，决心把语音加密“微型化”。他的成果就是 Delilah：一个包括三台小型单元的系统，每个单元大约鞋盒大小，总重量仅39公斤（包括电源），足够安装在卡车、战壕或较大的背包里。

贝尔实验室的 SIGSALY 设备是高度机密的房间级系统，总重量超过50吨
图片来源：NSA

1943年，图灵在一个尼森棚屋（Nissen hut）里搭建实验台，秘密开发 Delilah。棚屋位于英格兰乡间的汉斯洛普园（Hanslope Park）内，这里是由军方管理的情报机构。如今，汉斯洛普园仍然是高度保密的地点，称为国王陛下政府通信中心（HMGCC），为英国情报机构提供专用软硬件。

在汉斯洛普园的两年里，图灵似乎颇为适应。他住在一间老式农舍，平日到军官食堂用餐。1944年，刚从伯明翰大学电气工程专业毕业的年轻工程师唐纳德·贝利被指派到他手下做助手。他们在一起工作到1945年秋天，贝利称呼图灵为“教授（Prof）”，就如布莱切利庄园或汉斯洛普园里的人一样。

“我非常欣赏他思维的原创性，”贝利曾在上世纪90年代我采访他时说，“他教会了我很多东西，我一直心怀感激。”

贝利也反过来帮图灵提升实际动手能力。贝利到来时，看到图灵在面包板上接线，乱如“蛛网”。他便对图灵进行了“面包板速成训练”，让图灵的布线更规范。

图灵与贝利所打造的 Delilah 语音加密机原型
图片来源：英国国家档案馆（伦敦）

到1945年欧洲战事接近尾声时，图灵和贝利的原型已能正常运作，贝利说这套系统“发挥了应有的功能”，并认为这是“首批基于严谨密码学原理的系统”之一。

Delilah 语音加密系统如何工作

图灵在 Delilah 的概念设计中，借鉴了当时用于文本加密的电传打字机系统。例如：德军的 SZ42（由图灵和布莱切利庄园的同僚攻破）与更著名的 Enigma 在加密原理上其实不同。Enigma主要与摩尔斯码无线电传输配合，通过电键与灯板（lampboard）不断变化的电连接来加密字母A到Z；而 SZ42 则连接普通电传打字机，使用五位电报码（当时还可表示数字和标点），和摩尔斯码并无直接关联。

SZ42 的加密原理是：将明文与一段伪随机“密钥字符流”做“逐位相加”（5位代码）。接收方的 SZ42 与发送方保持相同的密钥序列，就能把收到的密文还原成明文。图灵正是把这种原理拓展到语音加密上。

Delilah 内部的“密钥发生器”由五个齿轮加上一些复杂电子电路构成，可以产生看似随机的数值流。加密时，这些随机数会与语音的数字化信号相加；接收端只要同步产生相同的数值流，再将其相减，就能重现原音。图灵和贝利在后来解密的官方报告（现已解密）中也说，同步发射端和接收端的密钥是个“相当棘手”的问题，但最终他们成功了。为了演示，图灵使用了丘吉尔的一段录音，成功实现录音加密、无线传输以及解密的完整流程。

这页纸展示了图灵测量三极管截止电压的实验电路，大概率与多谐振荡器的雪崩效应相关。多谐振荡器是 Delilah 生成密钥的重要部件。
图片来源：Bonhams

具体过程是：将模拟语音信号离散化（也就是今天所说的模拟-数字转换），得到一串数字；再与 Delilah 生成的密钥数值逐位“无进位相加”，这种不进位的加法能进一步扰乱信号；接收方再次用相同的密钥流无进位相减，就能复原最初的语音电平波形。解密后的声音带有“口哨般”的嘈杂声，还有背景噪音。但图灵和贝利轻松地报告称，通常仍可辨识话音——除非系统出错，会出现“像步枪射击般的炸裂声”。

不过，当时二战临近结束，军方对这套系统兴趣不大。1945年秋天，图灵接到英国国家物理实验室邀请去设计电子计算机，Delilah 项目也就顺势停摆。正如贝利所言，“它后续发展潜力有限，最终被人遗忘。” 然而从安全角度看，Delilah 加密强度很高，且是首个小型可携式语音加密设备的成功案例。

更重要的是，在这两年的强化训练中，图灵在电子工程方面的经验累积，之后为他设计电子计算机打下了坚实基础。

图灵的实验笔记本

图灵在 Delilah 项目期间留下了“贝利文件”。内容包括一本实验笔记本，大量的散页（部分已经分类整理）以及一本松紧式活页夹（里面塞满了笔记）。
其中最关键的有两部分：一个是四开大小、带绿色或灰色封皮的实验笔记本，很大程度上是图灵亲笔记录；另一个则是活页夹中，贝利将图灵讲课内容整理的讲义。

那本实验笔记本前24页是图灵的笔迹，详细记载了项目开始数月间的工作进展。最早一条实验记录是测量一个多谐振荡器的脉冲输出，并用示波器观察脉冲波形。多谐振荡器是 Delilah 密钥发生器的关键元件；该笔记本接下来又记载了对脉冲调制器、谐波分析仪、密钥生成器、信号/振荡电路，以及射频与天线部分的各种测试。可以说，这本笔记本清晰还原了图灵从1943年起亲手搭建、测试每个子系统的轨迹，直到1944年3月贝利到来才交由他接手记录工作。

“带宽定理”的推导

在两页纸上，图灵写下了“带宽定理”（现今所称的“奈奎斯特-香农采样定理”）的推导，很可能是用来给贝利做讲解。
图片来源：Bonhams

在大堆凌乱的手写散页里，有一页纸标题是“带宽定理”。Delilah 的语音加密，本质上依赖带宽理论中“对模拟信号进行采样并重现”的条件，也就是我们熟知的奈奎斯特-香农采样定理。图灵在这两页中写下了该定理的推导过程，推测是为了给贝利做数学辅导。
据悉，克劳德·香农（Claude Shannon）早在1940年就在贝尔实验室写过相关论文，不过1949年才正式发表。图灵1943年也曾短暂在贝尔实验室工作过，正好围绕SIGSALY项目，与香农可能有过关于采样速率的讨论。

图灵的“红表”笔记

在二战期间，汉斯洛普园还负责大量无线电监听工作。操作员会将截获的德军信号频率、时间和密文标在一种军用“红表”上。这种表格采用醒目的红色油印，收集到的信息会第一时间送往布莱切利庄园进行破译。

由于二战时纸张短缺，图灵就拿了大量背面仍可用的“红表”作演算草稿，用于记录 Delilah 相关的电路和数学研究。
图片来源：Bonhams

纸张短缺导致图灵干脆反面朝上，用这种红表做笔记。他在其中分析阻容网络、积分方程、时间常数，以及把连续波形离散为“阶梯”的各种推导，甚至还附带了傅立叶定理的证明——似乎也是在给贝利做讲解。

这些纸张从侧面反映出：Delilah 计划的保密级别高、运算和电路设计都很复杂，而图灵与贝利在资源有限、环境艰苦的情况下并肩攻关。

图灵为电气工程师们讲授的“晚间讲座”

在那本活页夹上，可以看到封面上有金字印“女王玛丽学校（Queen Mary’s School, Walsall）”，那是贝利曾经就读的中学。里面塞满了贝利的手写记录，内容是图灵在汉斯洛普园给年轻工程师们开设的系列晚间讲座。整整180页的笔记，已足以视为“图灵为电气工程专业所做的高级数学讲义”，其规模可与他在1940年写下的“破译Enigma和Bombe原理手稿”（布莱切利庄园人称“教授之书”）相媲美。

在历史视野下，这些讲义的出现意义重大。几十年来，图灵被普遍视为一位只醉心于抽象数学的天才，与真正实现“现代计算机”的工程群体似乎联系不大。1966年，《科学美国人》就刊登过约翰·麦卡锡（John McCarthy）的文章，称图灵的工作“并未直接促成电脑的现实研制”。这在当时是一种常见观点。

这本由贝利记录的图灵讲义，堪称“贝利文件”中最珍贵的部分
图片来源：Bonhams

然而，现在我们知道，战后图灵不但在国家物理实验室设计了自动计算引擎（ACE），还在曼彻斯特大学参与了“Baby”计算机的编程系统和打孔纸带I/O硬件研发。1948年，“Baby”虽小却是第一台真正可存储程序的电子计算机。两年后，图灵设计的ACE原型机也跑通了首个程序，随后被英国电气公司（English Electric）商品化为DEUCE，并在20世纪头几十年中广泛应用。可见图灵确实在“电气工程-电子计算机”这条路径上有极深的涉足。

“贝利文件”带给我们一个更完整的图灵形象：他不仅是抽象数学与逻辑的大师，也是一位在尼森棚屋里研究电路、焊接元器件的工程师。虽然据贝利调侃，图灵焊接的接点经常会开焊，但他对电路机理和工程数学的独到理解是毫无疑问的。

这些演讲笔记本身就像一本“为电气工程师编写的高级数学教材”，虽然已跟不上现代电子学的速度，却展现了图灵当年以数学思维攻坚工程问题的独特风格。

如今，公众对图灵的印象早已包含了多重身份：数学家、逻辑学家、密码破译者、哲学家、计算机理论先驱、人工智能先驱，以及计算生物学领域的开拓者。现在，我们需要在他多元的天赋中，再补上一项——“独特而天马行空”的电气工程才华。

本文部分内容取材自作者为 Bonhams 拍卖行撰写的拍卖图录报告；原文刊登在 IEEE Spectrum 上。