Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена вычислениям с использованием молекулярных и химических систем. Для вычислений с использованием одиночных молекул в качестве активных элементов см. Электроника молекулярного масштаба и Логический вентиль молекулярного типа .

Химический компьютер , называемый также реакция-диффузия компьютером , Белоусов-Жаботинский ( БЖ ) компьютер или gooware компьютер , является нетрадиционным компьютером на основе полутвердого химический «суп» , где данные представлены в виде различных концентраций химических веществ. [1] Вычисления выполняются естественными химическими реакциями .

Фон [ править ]

Первоначально химические реакции рассматривались как простое движение к устойчивому равновесию, которое было не очень перспективным для вычислений. Это было изменено на открытие , сделанное Борис Белоусов , в советском ученом, в 1950 - х годах. Он создал химическую реакцию между различными солями и кислотами, которые колеблются между желтым и прозрачным, потому что концентрация различных компонентов изменяется вверх и вниз циклически. В то время это считалось невозможным, поскольку казалось, что это противоречит второму закону термодинамики , который гласит, что в замкнутой системе энтропиябудет только увеличиваться со временем, заставляя компоненты в смеси распределяться до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, и делая любые изменения в концентрации невозможными. Но современный теоретический анализ показывает, что достаточно сложные реакции действительно могут включать волновые явления, не нарушая законов природы. [1] [2] ( Анатолий Жаботинский добился убедительной очевидной демонстрации с помощью реакции Белоусова-Жаботинского, показывающей спиралевидные цветные волны.)

Волновые свойства реакции BZ означают, что она может перемещать информацию так же, как и все другие волны. Это по-прежнему оставляет необходимость в вычислениях, выполняемых обычными микрочипами с использованием двоичного кода, передающего и меняющего единицы и нули через сложную систему логических вентилей . Для выполнения любых мыслимых вычислений достаточно иметь логические элементы NAND . (Логический элемент И-НЕ имеет на входе два бита. Его выход равен 0, если оба бита равны 1, иначе - 1). В химической компьютерной версии логические ворота реализованы в виде концентрационных волн, по-разному блокирующих или усиливающих друг друга.

Текущее исследование [ править ]

В 1989 году было продемонстрировано, как светочувствительные химические реакции могут выполнять обработку изображений . [3] Это привело к подъему в области химических вычислений. Эндрю Адацки из Университета Западной Англии продемонстрировал простые логические вентили, использующие процессы реакции-диффузии . [4] Кроме того, он теоретически показал, как гипотетическая « среда 2+ », смоделированная как клеточный автомат, может выполнять вычисления. [5] Адамацки был вдохновлен теоретической статьей о вычислениях с использованием шаров на бильярдном столе.перенести этот принцип на BZ-химикаты и заменить бильярдные шары волнами: если две волны встречаются в растворе, они создают третью волну, которая регистрируется как 1. Он проверил теорию на практике и работает над получением некоторых тысячи химических версий логических вентилей для создания химического карманного калькулятора. [ необходима цитата ] Одной из проблем нынешней версии этой технологии является скорость волн; они распространяются только со скоростью несколько миллиметров в минуту. По словам Адамацки, эту проблему можно решить, разместив ворота очень близко друг к другу, чтобы сигналы передавались быстро. Другой возможностью могут быть новые химические реакции, при которых волны распространяются намного быстрее.

В 2014 году система химических вычислений была разработана международной группой, возглавляемой Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий (Empa). Химический компьютер использовал расчеты поверхностного натяжения, полученные на основе эффекта Марангони с использованием кислотного геля, чтобы найти наиболее эффективный маршрут между точками A и B, опередив традиционную спутниковую навигационную систему, пытающуюся рассчитать тот же маршрут. [6] [7]

В 2015 году аспиранты Стэнфордского университета создали компьютер, используя магнитные поля и капли воды, наполненные магнитными наночастицами , иллюстрируя некоторые из основных принципов, лежащих в основе химического компьютера. [8] [9]

В 2015 году студенты Вашингтонского университета создали язык программирования для химических реакций (изначально разработанный для анализа ДНК ). [10] [11]

В 2017 году исследователи из Гарвардского университета запатентовали химическую машину Тьюринга, работающую с использованием нелинейной динамики реакции Белоусова-Жаботинского . [12] Система, которую они разработали, способна распознавать язык Хомского типа 1 с использованием соображений свободной энергии Гиббса . Эта работа была впоследствии опубликована в 2019 году, включая системы для языков типа 2 и 3 по Хомскому. [13]

В 2020 году исследователи из Университета Глазго создали химический компьютер с использованием деталей, напечатанных на 3D-принтере, и магнитных мешалок, чтобы контролировать колебания среды BZ. При этом они смогли вычислить двоичные логические вентили и выполнить распознавание образов. [14]

См. Также [ править ]

  • Молекулярный логический вентиль
  • Компьютер
  • Квантовые вычисления
  • ДНК-вычисления
  • Биокомпьютинг
  • Органические вычисления
  • Флюидика
  • Водный интегратор
  • История вычислительной техники
  • TOP500
  • Биохимия
  • Динамика жидкостей

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 15 июня 2015 года . Проверено 14 июня 2015 . CS1 maint: не рекомендуется параметр ( ссылка ) CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  2. ^ «Закон Мура собирается стать странным» . Наутилус .
  3. ^ Л. Кунерт; К.И. Агладзе; В.И. Кринский (1989). «Обработка изображений с помощью светочувствительных химических волн». Природа . 337 (6204): 244–247. DOI : 10.1038 / 337244a0 .
  4. ^ Адамацкий, Эндрю; Де Лейси Костелло, Бенджамин (2002). «Экспериментальные логические ворота в реакционно-диффузионной среде: ворота XOR и за их пределами». Physical Review E . 66 (4): 046112. DOI : 10,1103 / PhysRevE.66.046112 .
  5. ^ Эндрю И. Adamatzky (1997). «Информационно-обрабатывающие возможности химических реакционно-диффузионных систем. 1. Среды Белоусова-Жаботинского в гидрогелевых матрицах и на твердых носителях». Современные материалы для оптики и электроники . 7 (5): 263–272. DOI : 10.1002 / (SICI) 1099-0712 (199709) 7: 5 <263 :: AID-AMO317> 3.0.CO; 2-Y .
  6. ^ "Химический GPS превосходит спутниковую навигационную систему> ENGINEERING.com" . engineering.com .
  7. ^ "Empa изобретает химический компьютер быстрее, чем спутниковая навигация" . gizmag.com .
  8. ^ «Стэнфорд создал компьютер с каплями воды - ExtremeTech» . ExtremeTech .
  9. ^ «Эти компьютерные часы используют капли воды, одновременно управляя информацией и материей» . ZME Science .
  10. ^ Тейлор Сопер. «Химический компьютер: исследователи разрабатывают язык программирования для управления молекулами ДНК» . GeekWire .
  11. ^ «Инженеры UW изобретают язык программирования для создания синтетической ДНК» . Washington.edu .
  12. ^ США 9 582 771 
  13. ^ Дуэньяс-Диес М, Перес Меркадер J (2019). "Как химия вычисляет: распознавание языка небиохимическими химическими автоматами. От конечных автоматов до машин Тьюринга" . iScience . 19 : 514–526. DOI : 10.1016 / j.isci.2019.08.007 . PMC 6710637 . PMID 31442667 .  
  14. ^ «Программируемый химический компьютер с памятью и распознаванием образов» . Nature Communications .
  • «Представляем Глуперный компьютер» - статья Дункана Грэма-Роу в New Scientist (Ограниченный доступ)
  • [1]