Химические и биохимические компьютеры
Самые известные в последнее время в мире так называемые химический компьютер — дело рук поляков. Над ним работают ученые из Института физической химии Польской академии наук в Варшаве. Как оказалось, даже простые химические соединения могут выполнять операции, подобные тем, которые характерны для вычислительных машин.
Концепция химического компьютера заключается в использовании вместо электронных сигналов химических сигналов, то есть физических явлений, связанных с движением электрических зарядов. Поляки из Института физической химии Польской академии наук в Варшаве доказали, что простые капельные системы, в которых происходят химические реакции, могут обрабатывать информацию полезным образом, например, распознавая форму определенного трехмерного объекта с высокой точностью или правильно классифицировать опухолевые клетки на доброкачественные или злокачественные.
Опыты проводились в контейнере, заполненном тонким слоем раствора липида в масле. Пипеткой добавляли в систему небольшие количества осциллирующего раствора и образовывали капли. Их размещают над концами оптических волокон, соединенных с основанием контейнера. Химической основой этой формы памяти является реакция Белоусова-Жаботынского (БЗР). Капли, в которых определенные химические реакции протекают колебательным или повторяющимся образом, сообщаются друг с другом. Возбужденное состояние меняется с одного на другое, причем первое достигает «состояния покоя» после этого взаимодействия. Это вызывает ассоциации с взаимодействием электрических зарядов в проводниках и полупроводниках. Но для химического процессора вам также нужен системный контроль.
Ученые из ИПЦ ПАС использовали свет и рутениевый катализатор. Реакция, происходящая в каплях, останавливается синим светом, а это означает, что колебательные реакции в каплях прекращаются при интенсивном освещении. Изменяя освещенность данной капли, можно решить, вовлекаться она в обработку информации или нет, и стимулировать ее действовать по заранее заданной «программе». В случае капель, используемых для ввода информации, большее время экспозиции означает большее значение входных пространственных координат.
Исследователи из Варшавы экспериментировали с методами обнаружения сферической формы, принимая во внимание сети, состоящие из капель. Чтобы научить систему капель определять форму сферы, они использовали эволюционные алгоритмы. Процесс обучения занял пятьсот поколений. Вместо пространственных координат сферических точек им могут быть предоставлены данные другого смысла, например, связанные с разными свойствами раковых клеток. Затем система может искать данные, соответствующие, например, опухолевым или злокачественным заболеваниям.
В исследовании, проведенном совместно с учеными из Йенского университета, наши исследователи показали, что система капель 5 × 5 может классифицировать раковые клетки из компьютерного набора данных Cancer Cancer Wisconsin Dataset с точностью до 97%.
В традиционной информатике к биту добавляется бит, а к читу добавляется кубит — значит, нам нужно добавить простую систему из трех соприкасающихся друг с другом капель, в которых происходят колебательные реакции.
Точнее говоря, в этот набор должна входить и единица, соответствующая наименьшей порции данных в биологической системе, а точнее биохимической системе, потому что такие прототипы тоже уже разрабатываются, и одной из первых была система, созданная несколько лет назад ученых из Научно-исследовательского института Скриппса в Калифорнии и Техниона — Израильского технологического института. Компьютер состоял из биомолекул, способных считывать изображение, закодированное в ДНК человека. На первый взгляд компьютер выглядел как обычная пробирка, наполненная какой-то жидкостью. Однако химические вещества, входящие в состав этой жидкости, важны. Внутри трубки находятся молекулы ДНК, ферменты ДНК и АТФ (адениновый нуклеотид), который использовался в качестве источника энергии.
И аппаратное, и программное обеспечение этого компьютера состоят из биомолекул, которые заставляют друг друга действовать посредством химических реакций. Достижение заданных эффектов при использовании устройства возможно благодаря созданию молекул с определенной структурой, поведение которых регулируется установленными учеными правилами.
