ДНК-компьютер в капле воды: правильный ответ — это самое устойчивое состояние

Обычный процессор работает как конвейер: данные проталкиваются через цепочку шагов, каждый шаг съедает энергию, и на выходе получается результат. Ирландская группа из Мейнутского университета собрала вычислитель, устроенный иначе. Там нет шагов вовсе.

В капле солёной воды плавают миллиарды коротких нитей ДНК. Их смешивают, нагревают, дают остыть — и они сами собираются в структуру. Из всех возможных сборок самой устойчивой оказывается ровно та, что кодирует правильный ответ. Работа вышла в Nature.

Программа — это набор нитей из холодильника

Внутри системы есть длинная нить-каркас и короткие нити, которые могут к ней цепляться. Какая нить куда сядет, определяется последовательностью букв: подходит — держится, не подходит — отвалится.

Эти правила стыковки и есть программа. Чтобы посчитать другое или подать другие входные данные, ничего не перенастраивают: берут из холодильника другой набор пробирок с нитями.

При нагреве связи рвутся, при остывании нити конкурируют за места на каркасе. Слабые сборки распадаются, устойчивые остаются, система скатывается к равновесию. «Хитрость в том, что связывание конкурентно: молекулы ДНК соперничают за то, какая из них сядет на каркас, и вся эта толкотня обрабатывает информацию», — объясняет соавтор работы Дэмиен Вудс.

Прежние молекулярные компьютеры так не умели. Им требовалось молекулярное топливо, специально подготовленные компоненты или точно выдержанная последовательность реакций. Здесь молекулы просто сваливают вместе и дают им прийти в равновесие.

Энергия при этом не тратится на проталкивание данных. Обычный процессор потому и греется, что каждый логический шаг требует работы и рассеивает тепло. Здесь же система идёт туда, куда её и так тянет физика, а вычисление получается побочным следствием этого сползания.

Считает медленно и мелко

Теперь про результаты, и тут нужна трезвость. Система прогнала больше семисот вычислений: сложение, умножение на три, деление на два, восьмибитную проверку чётности. Самые крупные задачи были стобитными.

Мелкие суммы вроде «десять плюс три» выходили меньше чем за минуту. Задача посложнее, с числами в десятки миллионов, занимала до четырнадцати часов.

Соавтор Константин Эванс формулирует это без прикрас: вычисления тривиальные, читатель сделает их в уме быстрее, а кремниевый процессор — мгновенно. Ценность в другом. Система из горстки молекул не проходит никакой упорядоченной последовательности шагов, не делает ни одного необратимого действия и всё-таки приходит к верному ответу. На молекулярном уровне надёжно выполнить даже такую арифметику тяжело.

Высох и снова посчитал

Самое неожиданное свойство — многоразовость. Обычно молекулярный компьютер собирают под один эксперимент и выбрасывают.

Три программы здесь запускали заново до двух десятков раз. Один опыт повторили спустя полтора года после исходного: образец за это время частично высох, в него долили воды, и вычисления прошли снова.

Высохший образец, ожидающий полтора года в лаборатории, а потом дающий правильный ответ после долива воды, — деталь, которая говорит о природе системы больше, чем скорость.

Это следствие того же принципа. Раз ответ — это равновесное состояние, а не результат цепочки необратимых реакций, систему можно расшатать и дать ей сойтись заново.

Зачем это, если кремний быстрее

Заменять электронные компьютеры такие системы не собираются, и авторы прямо называют возможные применения спекулятивными.

Смысл там, где кремний не работает. Молекулярный вычислитель может жить в водной среде — например, внутри клетки — и реагировать на молекулы вокруг. Второе направление — хранение данных в ДНК: по словам Абир Эшры, у данных, записанных в такой системе, коррекция ошибок получается встроенной, а не добавленной сверху.

Стоит помнить и про масштаб задач. Стобитные вычисления звучат внушительно, но по меркам электроники это уровень школьной арифметики. А время растёт быстро: минута на маленькой сумме и четырнадцать часов на числах в десятки миллионов.

Пока это демонстрация принципа: термодинамика может выполнять вычисления, если правильно подобрать молекулы. Масштабируется ли подход до задач, где он даст выигрыш, из этой работы не следует.