У Nature представили ДНК-комп’ютер з енергетично вигідним результатом
У Nature представили ДНК-комп’ютер, у якому правильний результат обчислення є термодинамічно найвигіднішим станом системи.
Дослідники представили модель молекулярного комп’ютера на основі ДНК, у якій правильний результат обчислення є найбільш енергетично вигідним станом системи. Такий підхід назвали Scaffolded DNA Computer, або SDC. Як повідомляє Nature, система має самостійно переходити до рівноважної конфігурації з правильним результатом, а не витрачати додаткову енергію на підтримання його коректності.
Розробка використовує одновимірний ДНК-каркас із позиціями для приєднання молекулярних «плиток». Їх добирають відповідно до програми та вхідних даних. Сусідні плитки мають з’єднуватися сумісними ділянками ДНК; невідповідності створюють енергетичний штраф і можуть виправлятися шляхом заміни молекул. Автори також застосували слабші зв’язки, щоб забезпечити оборотне приєднання та знизити ризик небажаних взаємодій поза каркасом.
Обчислення через досягнення рівноваги
У звичайних комп’ютерах і багатьох попередніх системах молекулярних обчислень потрібний стан є нерівноважним, тому для збереження логічної правильності необхідні енергія та механізми корекції помилок. У SDC правильна конфігурація запрограмована як термодинамічно сприятлива. За твердженням авторів, вона може переважати експоненційно велику кількість помилкових конфігурацій, а система здатна рухатися до результату кількома можливими шляхами.
Як приклад дослідники реалізували програму Parity, що визначає, чи є кількість одиниць у 8-бітному числі парною або непарною. Також на каркасі з чотирьох позицій протестували додавання 4-бітних чисел. Для обчислення 10 + 3 система видала результат 13. Під час типового тривалістю три години охолодження від 80 °C до 20 °C середній вихід для програм додавання становив 96,7%, а найнижчий показник для окремого вихідного біта — 91,6%.
Перевірка програм і швидкості
Окрім додавання, команда протестувала ще дев’ять алгоритмів, зокрема копіювання бітів, перевірку парності, множення на 3, ділення на 2 у трійковій системі числення, розпізнавання збалансованих дужок і недетермінований скінченний автомат із трьома станами. У тестах із різною кількістю конкуруючих плиток середній вихід сягав близько 95%.
Для коротких ДНК-каркасів із чотирма або менше позиціями дослідники також провели прискорене охолодження з 80 °C до 55 °C менш ніж за хвилину. Вони зафіксували розділення результатів 0 та 1 уже за 30–60 секунд. Середній вихід через хвилину становив 82,4% для додавання та 81,2% для всіх перевірених обчислень.
