Комп’ютер, якому не потрібен кремнієвий чип, може звучати як фантастика. Але вчені справді створили систему, здатну виконувати обчислення в крихітній краплі води — за допомогою мільярдів молекул ДНК.
І найцікавіше тут навіть не розмір такого комп’ютера. Дослідники придумали спосіб, за якого молекули фактично самі «шукають» правильну відповідь, рухаючись до найбільш енергетично вигідного стану. Розробку назвали Scaffolded DNA Computer (SDC). Результати дослідження опубліковано в журналі Nature.
Комп’ютер, який не рахує крок за кроком
Звичайний електронний комп’ютер виконує програму через послідовність операцій. Для цього потрібна енергія: електричні сигнали переміщуються між елементами процесора, а система крок за кроком отримує результат.
ДНК-комп’ютер працює інакше. Його створили з коротких фрагментів ДНК, які взаємодіють із довшою молекулою-«каркасом». Кожен фрагмент має певну послідовність, тому може приєднатися лише до відповідної ділянки.
Дослідники заздалегідь задають правила взаємодії цих молекул. Після цього їх змішують у невеликій кількості солоної води, нагрівають і охолоджують. Далі починається своєрідна молекулярна боротьба.
Молекули самі знаходять відповідь
Фрагменти ДНК конкурують між собою за місця на каркасі. Одні комбінації виявляються стабільнішими, інші — менш вигідними. Зрештою система прагне перейти у стан із нижчою енергією. Саме ця кінцева конфігурація і кодує правильну відповідь на обчислення.
Тобто вченим не потрібно постійно «підштовхувати» реакцію вперед за допомогою окремих енергетичних кроків. Фізика сама допомагає системі прийти до потрібного результату. Фактично дослідники перетворили закони термодинаміки на частину алгоритму.
У краплі — мільярди молекул
Сам пристрій мікроскопічний, але кількість учасників обчислення величезна. У невеликій краплі рідини можуть взаємодіяти мільярди, а іноді й трильйони молекул ДНК. Кожна з них є своєрідною деталлю молекулярного конструктора. Змінюючи набір фрагментів, дослідники можуть змінювати програму.
Потрібно виконати інше обчислення? Не обов’язково створювати новий пристрій. Достатньо використати інший набір молекул. Саме тому SDC можна назвати програмованим молекулярним комп’ютером.
Він уже виконує реальні обчислення
Дослідники протестували систему на 10 різних програмах, зокрема на обчисленнях із 100 бітами. Загалом під час експериментів команда виконала понад 700 обчислень. Система вміє виконувати додавання, множення на три, ділення на два, а також перевіряти парність — операцію, яка широко використовується для виявлення помилок у цифрових системах.
Прості завдання виконувалися приблизно за 30 секунд. Наприклад, обчислення на кшталт 10 + 3 займало близько пів хвилини. Звичайному комп’ютеру це здається смішно повільним. Але мета дослідників була зовсім не в тому, щоб створити конкурента сучасному процесору.
Найцікавіше — його можна використовувати знову
Однією з проблем попередніх молекулярних комп’ютерів було те, що багато з них фактично працювали як одноразові системи. SDC спроєктували інакше. Молекули можна повторно використовувати. Три програми вдалося запустити до 24 разів, а один із експериментів команда повторила через півтора року після першого запуску.
За цей час зразок частково висох. Але після додавання води дослідникам вдалося знову виконати обчислення. Це важливий результат, адже він показує, що молекулярна система може не просто один раз продемонструвати ефект, а працювати повторно.
Але до заміни ноутбуків ще дуже далеко
Попри гучну назву, ДНК-комп’ютер поки зовсім не є альтернативою смартфонам чи ноутбукам.
Головний недолік — швидкість. Складніші обчислення можуть тривати вже не секунди, а години. Наприклад, один із важчих тестів займав до 14 годин.
Крім того, молекулярні системи потребують спеціального обладнання для підготовки зразків та зчитування результату. Тому говорити про заміну кремнієвих процесорів поки зарано.
То навіщо взагалі потрібен такий комп’ютер?
Саме тут відкривається найбільш цікава перспектива. ДНК-комп’ютери можуть бути корисними там, де звичайна електроніка не дуже підходить. Наприклад, усередині живих клітин, у біологічних системах, розумних матеріалах або для довготривалого зберігання даних у ДНК.
Молекулярні обчислення також можуть стати основою систем, які працюють без традиційної електронної логіки та використовують самі фізичні властивості молекул для обробки інформації. Поки що це передусім доказ концепції: вчені показали, що термодинаміку можна використати не просто для опису поведінки молекул, а безпосередньо для виконання обчислень.
І це, можливо, найцікавіша частина експерименту. Майбутній комп’ютер може бути не схожим на коробку з процесором і пам’яттю. Він може виглядати як крапля рідини, в якій мільярди молекул самі взаємодіють між собою — і зрештою знаходять правильну відповідь.