Учёные создали молекулярный компьютер, в котором вместо кремниевых микросхем работают цепочки ДНК. Система помещается в небольшой капле жидкости, умеет складывать числа, делить и умножать их и даже после частичного высыхания может снова заработать, если добавить воду.
Разработка исследователей из Ирландии опубликована 16 сентября в Nature. Авторы назвали систему Scaffolded DNA Computer, или SDC. В экспериментах она выполнила более 700 вычислений и успешно запустила десять различных программ.
Миллиарды молекул одновременно ищут ответ
Такой компьютер совсем не похож на обычный процессор.
В жидкости находится огромное количество коротких цепочек ДНК — в одной небольшой капле их могут быть миллиарды и даже триллионы. Учёные также добавляют длинную молекулу ДНК, которая играет роль своеобразного каркаса.
Короткие фрагменты начинают конкурировать за места на этом каркасе. Одни соединения оказываются более устойчивыми, другие — менее. Постепенно неправильные комбинации вытесняются, а вся система приходит к энергетически наиболее выгодному состоянию.
Именно это конечное расположение молекул и содержит правильный ответ.
То есть компьютер не выполняет жёсткую последовательность команд, как обычный процессор. Молекулы взаимодействуют параллельно, а само стремление системы перейти в устойчивое состояние становится частью вычисления.
ДНК-компьютер уже умеет складывать и умножать
Исследователи подготовили для системы десять программ. Среди них были сложение чисел, умножение на три, деление на два и определение чётности.
Простой пример вроде 10 + 3 молекулярный компьютер смог решить примерно за 30 секунд. Для обычного электронного устройства такая задача ничтожна, но для химической системы, в которой результат возникает из взаимодействия молекул, это уже заметное достижение.
Учёные постепенно увеличивали сложность и дошли до 100-битного вычисления, включавшего сложение 25-битных чисел.
Правда, скорость при этом резко падала. Сложные операции с числами порядка десятков миллионов могли занимать до 14 часов. Поэтому конкурировать с обычными компьютерами по производительности ДНК-машина пока даже не пытается.
Его можно использовать снова
У многих предыдущих молекулярных компьютеров была ещё одна проблема: после выполнения задачи реагенты фактически расходовались, поэтому эксперимент приходилось собирать заново.
Новая система оказалась многоразовой. Три программы исследователи повторно запускали до 24 раз, меняя входные данные. В одном случае учёные вернулись к образцу спустя полтора года. За это время жидкость частично высохла, но после добавления воды система снова смогла выполнить вычисление.
Такой результат особенно интересен для будущих устройств, которым придётся работать не один раз, а выполнять разные задачи в течение длительного времени.
Зачем нужен компьютер, который считает так медленно
Заменять современные процессоры такой системой никто не собирается. Преимущество молекулярных компьютеров может проявиться там, где обычную электронику использовать трудно или бессмысленно.
Сам подход развивается уже несколько лет. В 2023 году исследователи создали жидкостный компьютер на основе ДНК, способный обрабатывать огромное число программ одновременно. А в 2024 году другая команда представила ДНК-систему, которая хранит миллионы гигабайт данных и даже решает судоку. Новая разработка делает ещё один шаг в сторону многоразовых программируемых вычислений в растворе.
Например, вычисления из ДНК теоретически можно встроить в биологическую среду, умные материалы или системы хранения информации непосредственно в молекулах ДНК. Авторы также рассматривают возможность создания устройств, способных выполнять вычисления внутри живых клеток. Пока это лишь возможные направления дальнейших исследований.
Интересна и сама физика процесса. Правильный ответ в SDC соответствует энергетически выгодному состоянию системы, поэтому компьютеру не приходится постоянно «проталкивать» вычисление через заранее заданную последовательность необратимых операций.
Это позволяет обходиться без отдельной сложной системы исправления ошибок: неправильные комбинации молекул оказываются менее устойчивыми и постепенно заменяются правильными.
Пока это скорее доказательство идеи
Несмотря на впечатляющее устройство, полноценным конкурентом электронного компьютера SDC пока не является.
Систему необходимо масштабировать, ускорить считывание результата и научиться гораздо удобнее программировать. Чем сложнее вычисление, тем больше становится число необходимых молекулярных взаимодействий и тем дольше приходится ждать ответа.
Главный результат работы в другом: исследователи показали, что сложные программируемые вычисления действительно можно заставить происходить в молекулярной системе, которая сама стремится к состоянию с правильным ответом.
