Chemický počítač - Chemical computer

Tento článek je o výpočtu pomocí molekulárních a chemických systémů. Výpočet s použitím jednotlivých molekul jako aktivních prvků najdete v části Molekulární elektronika a Molekulární logická brána .

Chemické počítač , která se také nazývá reakce difúzní počítač , Belousov-Zhabotinsky ( BZ ) počítač nebo gooware počítač , je nekonvenční počítač založený na polotuhé chemické „polévky“, kde jsou zobrazena data podle různých koncentrací chemických látek. Výpočty se provádějí přirozeně se vyskytujícími chemickými reakcemi .

Pozadí

Původně byly chemické reakce považovány za jednoduchý pohyb směrem ke stabilní rovnováze, který nebyl pro výpočet příliš slibný. To byl změněn objevu ze strany Boris Belousov , v sovětské vědce, v roce 1950. Vytvořil chemickou reakci mezi různými solemi a kyselinami, které se houpají tam a zpět mezi žlutou a čirou, protože koncentrace různých složek se cyklicky mění nahoru a dolů. V té době to bylo považováno za nemožné, protože se zdálo, že je to v rozporu s druhým zákonem termodynamiky , který říká, že v uzavřeném systému se entropie časem jen zvýší, což způsobí, že se složky ve směsi budou distribuovat samy, dokud se nezíská rovnováha a nebude změny koncentrace nemožné. Moderní teoretické analýzy však ukazují, že dostatečně komplikované reakce mohou skutečně zahrnovat vlnové jevy, aniž by došlo k porušení přírodních zákonů. (Přesvědčivé přímo viditelné demonstrace dosáhl Anatol Zhabotinsky s Belousov -Zhabotinsky reakcí ukazující spirálovité barevné vlny.)

Vlastnosti vln reakce BZ znamenají, že dokáže přesouvat informace stejným způsobem jako všechny ostatní vlny. To stále ponechává potřebu výpočtu, prováděného konvenčními mikročipy využívajícími přenos binárních kódů a jejich změnu a nuly prostřednictvím komplikovaného systému logických bran . K provedení jakéhokoli myslitelného výpočtu stačí mít brány NAND . (NAND brána má vstup pro dva bity. Jeho výstup je 0, pokud jsou oba bity 1, jinak je 1). Ve verzi pro chemické počítače jsou logické brány implementovány pomocí koncentračních vln, které navzájem blokují nebo se navzájem zesilují.

Aktuální výzkum

V roce 1989 bylo ukázáno, jak mohou chemické reakce citlivé na světlo provádět zpracování obrazu . To vedlo k vzestupu v oblasti chemických výpočtů. Andrew Adamatzky z University of the West of England demonstroval jednoduché logické brány pomocí reakčně -difúzních procesů. Kromě toho teoreticky ukázal, jak může hypotetické „2 + médium“ modelované jako mobilní automat provádět výpočet. Adamatzky se inspiroval teoretickým článkem o výpočtu pomocí koulí na kulečníkovém stole k přenosu tohoto principu do BZ-chemikálií a nahrazení kulečníkových koulí vlnami: pokud se v řešení setkají dvě vlny, vytvoří třetí vlnu, která je registrována jako a 1. Vyzkoušel si teorii v praxi a pracuje na výrobě asi tisíc chemických verzí logických bran na vytvoření chemické kapesní kalkulačky. Jedním z problémů současné verze této technologie je rychlost vln; šíří se pouze rychlostí několika milimetrů za minutu. Podle Adamatzkého lze tento problém eliminovat umístěním bran velmi blízko sebe, aby se zajistilo rychlé přenesení signálů. Další možností by mohly být nové chemické reakce, kde se vlny šíří mnohem rychleji.

V roce 2014 byl mezinárodní tým vyvinutý mezinárodním týmem vedeným Švýcarskými federálními laboratořemi pro materiálovou vědu a technologii (Empa). Chemický počítač použil výpočty povrchového napětí odvozené z Marangoniho efektu pomocí kyselého gelu k nalezení nejefektivnější trasy mezi body A a B, čímž překonal konvenční satelitní navigační systém pokoušející se vypočítat stejnou trasu.

V roce 2015 postgraduální studenti Stanfordské univerzity vytvořili počítač využívající magnetická pole a vodní kapky naplněné magnetickými nanočásticemi , což ilustruje některé základní principy chemického počítače.

V roce 2015 vytvořili studenti University of Washington programovací jazyk pro chemické reakce (původně vyvinutý pro analýzu DNA ).

V roce 2017 si vědci z Harvardské univerzity nechali patentovat chemický Turingův stroj, který fungoval pomocí nelineární dynamiky Belousov – Zhabotinského reakce . Systém, který vyvinuli, je schopen rozpoznat jazyk Chomsky typu 1 pomocí Gibbsových úvah o volné energii . Tato práce byla následně publikována v roce 2019, včetně systémů pro jazyky Chomsky typu 2 a typu 3.

V roce 2020 vědci z University of Glasgow vytvořili chemický počítač s použitím 3D vytištěných dílů a magnetických míchadel za účelem řízení oscilací média BZ. Přitom byli schopni vypočítat binární logické brány a provádět rozpoznávání vzorů.

Viz také

Reference