존 홉필드

1.1. 어린 시절, 가족 배경 및 교육

존 조셉 홉필드는 1933년 미국 일리노이주 시카고에서 태어났다. 그의 부모님은 모두 물리학자였다. 아버지 존 조셉 홉필드(John Joseph Hopfield^영어)는 폴란드에서 얀 유제프 흐미엘레프스키(Jan Józef Chmielewski^폴란드어)라는 이름으로 태어났으며 분광학자였다. 어머니는 헬렌 홉필드(Helen Hopfield^영어, 본명 스태프(Staff^영어))였다.

홉필드는 1954년 펜실베이니아주 스와스모어 칼리지에서 물리학 학사 학위(Bachelor of Arts^영어)를 취득했다. 이후 1958년 코넬 대학교에서 물리학 박사 학위(Doctor of Philosophy^영어)를 받았다. 그의 박사 학위 논문 제목은 "결정의 복합 유전 상수에 대한 엑시톤의 기여에 대한 양자 역학적 이론(A quantum-mechanical theory of the contribution of excitons to the complex dielectric constant of crystals^영어)"이었다. 그의 박사 학위 지도 교수는 앨버트 오버하우저(Albert Overhauser^영어)였다.

2.1. 초기 경력 및 연구

박사 학위 취득 후, 홉필드는 벨 연구소의 이론 그룹에서 2년간 근무하며 반도체의 광학적 특성에 대한 연구를 수행했다. 이 기간 동안 그는 데이비드 G. 토마스(David G. Thomas^영어)와 협력했다. 이후에는 로버트 G. 슐만(Robert G. Shulman^영어)과 함께 헤모글로빈의 협동적 행동을 설명하는 정량적 모델에 대해 연구했다.

케임브리지 대학교 캐번디시 연구소에서 구겐하임 펠로우십을 마친 후 미국으로 돌아온 홉필드는 자신의 연구 분야를 완전히 전환하여 물리학과 생물학의 교차점으로 옮겼다. 이는 정량적 생물학 실험에서 이루어진 발전이 수학 기반 이론을 생물학 분야에서 새롭게 유용하게 만들었기 때문이다.

2.2. 학문적 임용

홉필드는 여러 명문 대학에서 교수직을 역임했다.

• 캘리포니아 대학교 버클리: 물리학 교수 (1961-1964)
• 프린스턴 대학교: 물리학 교수 (1964-1980)
• 캘리포니아 공과대학교(Caltech): 로스코 딕킨슨 화학 및 생물학 교수 (1980-1997)
• 프린스턴 대학교: 1997년에 다시 프린스턴 대학교로 돌아와 현재는 하워드 A. 프라이어 분자 생물학 명예 교수(Howard A. Prior Professor of Molecular Biology, emeritus^영어)로 재직 중이다.

1976년, 그는 라이너스 폴링(Linus Pauling^영어)이 출연한 헤모글로빈 구조에 관한 과학 단편 영화에 참여했다. 1981년부터 1983년까지 홉필드는 리처드 파인만(Richard Feynman^영어) 및 카버 미드(Carver Mead^영어)와 함께 칼텍에서 "계산의 물리학(The Physics of Computation^영어)"이라는 1년 과정을 가르쳤다. 이 협력은 1986년 홉필드가 공동 설립한 칼텍의 계산 및 신경 시스템(Computation and Neural Systems, CNS) 박사 과정 설립에 영감을 주었다. 그는 2006년 미국 물리학회(APS) 회장을 역임하기도 했다.

2.3. 지도 학생

홉필드의 지도하에 박사 학위를 받은 저명한 제자들은 다음과 같다.

• 제럴드 마한(Gerald Mahan^영어) (1964년 박사 학위)
• 베르트랑 할페린(Bertrand Halperin^영어) (1965년 박사 학위)
• 스티븐 기르빈(Steven Girvin^영어) (1977년 박사 학위)
• 테리 세이노프스키(Terry Sejnowski^영어) (1978년 박사 학위)
• 호세 오누치크(José Onuchic^영어) (1987년 박사 학위)
• 리 자오핑(Li Zhaoping^영어) (1990년 박사 학위)
• 데이비드 J. C. 매케이(David J. C. MacKay^영어) (1992년 박사 학위)
• 에릭 윈프리(Erik Winfree^영어) (1998년 박사 학위)

3.1. 응집 물질 물리학 및 양자 역학

1958년 박사 학위 연구에서 홉필드는 결정 내 엑시톤의 상호 작용에 대해 다루었으며, 고체 물리학에서 나타나는 준입자인 "폴라리톤"이라는 용어를 만들었다. 그의 폴라리톤 모델은 때때로 홉필드 유전체(Hopfield dielectric^영어)로 알려져 있다.

1959년부터 1963년까지 홉필드는 데이비드 G. 토마스와 함께 황화 카드뮴의 반사 스펙트럼으로부터 엑시톤 구조를 연구했다. 그들의 실험과 이론 모델은 II-VI 반도체 화합물의 광학 분광학을 이해하는 데 기여했다.

응집 물질 물리학자 필립 W. 앤더슨(Philip W. Anderson^영어)은 콘도 효과를 설명하는 1961년에서 1970년 사이의 앤더슨 불순물 모델 연구에서 존 홉필드가 자신의 "숨겨진 협력자(hidden collaborator^영어)"였다고 언급했다. 홉필드는 해당 논문들의 공동 저자로 포함되지 않았지만, 앤더슨은 여러 저작에서 홉필드의 기여가 중요했음을 인정했다.

1973년 홉필드는 윌리엄 C. 토프(William C. Topp^영어)와 함께 규칙 보존 슈도포텐셜(norm-conserving pseudopotentials^영어) 개념을 도입했다.

3.2. 생물리학 및 생화학 시스템

홉필드는 로버트 G. 슐만과 함께 헤모글로빈의 협동적 행동을 설명하는 정량적 모델을 개발했다.

1974년 그는 DNA 복제의 정확성을 설명하기 위해 높은 특이성을 요구하는 생합성 과정에서 오류를 줄이는 새로운 메커니즘인 동역학적 교정(kinetic proofreading^영어)을 도입했다. 이 메커니즘은 생화학 반응에서 오류를 수정하는 데 중요한 역할을 한다.

3.3. 신경망 및 인공지능

1982년 홉필드는 신경과학 분야에서 그의 첫 논문인 "새로운 집단 계산 능력을 갖춘 신경망 및 물리적 시스템(Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities^영어)"을 발표했다. 이 논문에서 그는 오늘날 홉필드 네트워크로 알려진 것을 소개했다. 홉필드 네트워크는 이진 뉴런으로 구성된 인공 신경망의 한 유형으로, '켜짐' 또는 '꺼짐' 상태를 가질 수 있으며 연상 기억 장치로 기능할 수 있다. 이 연구는 당시 침체기에 있던 인공지능 연구에 활력을 불어넣었다.

그는 1984년에 자신의 형식론을 연속 활성화 함수로 확장했다. 1982년과 1984년의 이 두 논문은 그의 가장 많이 인용된 저작이다. 홉필드는 앤더슨과의 협력을 통해 얻은 스핀 유리에 대한 지식에서 영감을 받았다고 말했다.

데이비드 W. 탱크(David W. Tank^영어)와 함께 홉필드는 1985년부터 1986년 사이에 연속 시간 동역학을 사용하여 이산 최적화 문제를 해결하는 방법을 개발했다. 이 방법은 연속 활성화 함수를 가진 홉필드 네트워크를 사용하며, 최적화 문제는 네트워크의 상호 작용 매개변수(가중치)에 인코딩되었다. 이 아날로그 시스템의 유효 온도는 시뮬레이티드 어닐링에서와 같이 점진적으로 감소되었다.

원래의 홉필드 네트워크는 제한된 기억 용량을 가지고 있었는데, 이 문제는 2016년 홉필드와 드미트리 크로토프(Dmitry Krotov^영어)에 의해 해결되었다. 대규모 기억 저장 홉필드 네트워크는 이제 "현대 홉필드 네트워크"로 알려져 있다.

3.4. 계산 신경과학 및 복잡계

홉필드는 임계 뇌 가설(critical brain hypothesis^영어)의 선구자 중 한 명이다. 그는 1994년 지진에 대한 올라미-페더-크리스텐센 모델(Olami-Feder-Christensen model^영어)을 참조하여 신경망과 자기 조직화 임계성(self-organized criticality^영어)을 처음으로 연결했다. 1995년 홉필드와 안드레아스 V. 헤르츠(Andreas V. Herz^영어)는 신경 활동의 눈사태(avalanches in neural activity^영어)가 지진과 관련된 멱법칙 분포(power law distribution^영어)를 따른다는 것을 보여주었다.