Дослідники розробили незвичайну обчислювальну систему, у якій роль процесора виконують молекули ДНК. Scaffolded DNA Computer, або SDC, здатний розв'язувати обчислювальні завдання у рідкому середовищі, використовуючи взаємодії між мільярдами молекул. На відміну від звичних електронних комп'ютерів, система виконує операції не завдяки руху електронів транзисторами, а за допомогою хімічних реакцій і прагнення молекул перейти в енергетично вигідний стан.

Результати дослідження опубліковано в журналі Nature. Автори продемонстрували десять програм, серед яких множення, ділення, перевірка парності та додавання 25-бітних чисел. У наймасштабнішому експерименті система виконувала обчислення зі 100 бітами даних.

Як працює комп'ютер із молекул ДНК

Основою SDC стали синтетичні ланцюги ДНК, поміщені у водний розчин із солями. Дослідники заздалегідь програмують структуру молекул так, щоб під час взаємодії між собою вони формували певні конфігурації.

Ключова особливість цього підходу полягає в тому, що обчислення значною мірою відбувається самостійно. Система поступово переходить у термодинамічно стабільніший стан, який відповідає правильному результату. Тому вченим не потрібно постійно контролювати кожен етап обчислення або створювати окремий механізм виправлення кожної помилки.

Фактично дослідники перетворили фізичні властивості молекул на обчислювальний інструмент. Зміна структури ДНК стає аналогом виконання логічної операції, а кінцева конфігурація молекул містить відповідь.

ДНК-комп'ютер виявився повільнішим за звичайний процесор

Називати SDC заміною сучасним процесорам поки що надто рано. Електронні комп'ютери виконують величезну кількість операцій за надзвичайно короткий час, тоді як молекулярні обчислення потребують часу для хімічних взаємодій і перебудови структур.

Водночас невеликі завдання під час експериментів виконувалися менш ніж за хвилину. Складніше обчислення потребувало значно більше часу, а масштабування системи до роботи зі 100 бітами даних суттєво збільшувало тривалість процесу.

Головна перевага цієї технології полягає в іншому. Молекулярна система здатна виконувати обчислення паралельно у величезній кількості взаємодій між молекулами. Крім того, експериментальну конструкцію можна використовувати повторно десятки разів, що відрізняє її від багатьох ранніх варіантів молекулярних обчислювальних систем.

Які завдання вже вдалося виконати

Дослідники перевірили SDC на десяти різних програмах. Серед них були як відносно прості математичні операції, так і завдання, що потребують роботи з великою кількістю бітів.

Під час експериментів продемонстрували:

• множення числа на 3;
• ділення на 2;
• визначення парності 8-бітних даних;
• додавання 25-бітних чисел;
• обчислення зі 100 бітами даних.

Деякі програми запускали з різними вхідними даними до 25 разів. Це дало змогу перевірити не лише сам принцип роботи, а й можливість повторного використання молекулярної обчислювальної системи.

Чому розробка важлива для майбутнього комп'ютерів

Найцікавішим результатом експерименту є не швидкість обчислень, а сам принцип побудови системи. Сучасні комп'ютери зазвичай мають активно керувати кожним обчислювальним процесом і протидіяти помилкам. У SDC правильний результат є енергетично вигіднішим, тому молекулярна система природним чином рухається до нього.

Такий підхід належить до напрямів так званих нетрадиційних обчислень. Він може виявитися корисним там, де компактність, паралельна обробка та низьке енергоспоживання важливіші за максимальну швидкість.

У перспективі подібні технології можуть знайти застосування не лише в обчисленнях. Дослідники пов'язують молекулярні комп'ютери із системами зберігання даних, інтелектуальними матеріалами та потенційною обробкою інформації безпосередньо всередині живих клітин.

До практичного використання технології ще далеко

Нова система має серйозні обмеження. Молекулярні обчислення чутливі до умов проведення експерименту, а складні конструкції можуть стикатися з небажаними взаємодіями між ланцюгами ДНК. Автори також відзначають проблеми з побічними процесами самоскладання, витоками в системах заміщення ланцюгів і трудомісткою ручною підготовкою експериментів.

Тому сьогодні SDC варто розглядати передусім як наукову демонстрацію нового принципу обчислень, а не як альтернативу процесорам Intel, AMD чи Apple. Для практичного застосування потрібно автоматизувати підготовку зразків, підвищити швидкість отримання результатів і розробити зручні способи зчитування обчислень.

Втім, сама ідея має перспективний вигляд. ДНК уже розглядають як надзвичайно щільний носій інформації: попередні дослідження продемонстрували можливість зберігати великі обсяги даних у синтетичних молекулах.

Нова робота робить наступний крок і показує, що ДНК можна використовувати не лише для зберігання інформації, а й безпосередньо для її обробки. Якщо вченим вдасться поєднати такі обчислення із системами синтезу, зберігання та зчитування молекулярних даних, у майбутньому може з'явитися принципово новий клас комп'ютерів, які працюватимуть не на кремнієвих транзисторах, а на хімічних властивостях самої матерії.