Техно

Почему живой компьютер появится раньше, чем квантовый

Новые технологии позволяют создавать сверхчуткие детекторы взрывчатки и биокомпьютеры будущего

Фото: ie-design.info

Американские инженеры из нью-йоркского университета Колумбии объединили в одном чипе элементы биологических систем и кремниевую микроэлектронику, обеспечив основу для создания в будущем "живой" электроники. В компьютерах носителями информации выступают электроны, а в живых организмах - ионы и особые мембраны, управляющие их потоками. Объединив электроны с ионами и мембранами, ученые создали особую биологическую мембрану, преобразующую энергию, заключенную в молекулах аденозинтрифосфата, главного переносчика энергии в живых клетках, в электрический ток, который может считать микросхема. Помещенная в богатую аденозинтрифосфатом среду, такая гибридная конструкция использует ее молекулы для выработки необходимого для своей работы электричества.

Кроме того, что новую мембрану можно использовать как основу для биокомпьютеров и прочей революционной техники, ее можно модифицировать таким образом, что она будет поглощать молекулы аденозинтрифосфата только в присутствии каких-то других веществ. То есть, микросхема сможет определять, что в окружающей среде имеются токсины, взрывчатые вещества, раковые клетки и пр.

Изображение: Trevor Finney/Jared Roseman/Columbia

Возглавивший разработку Кен Шепард из университета Колумбии говорит, что в виду отсутствия определенных технологий, некоторые организации работают до сих пор на уровне каменного века: к примеру, в аэропортах бомбы ищут собаки. Объединив же биоэлектронное устройство с классической кремниевой технологией, можно сконструировать так называемые "электронные носы" - приборы, распознающие запах взрывчатки.  

На основе гибридных биосистем совсем скоро могут появиться биокомпьютеры: многие считают, что гораздо раньше, чем квантовые. В частности, биологи, физики, генетики вместе с ведущими мировыми инженерами пытаются использовать природные процессы для создания молекулярных вычислительных схем на основе молекул ДНК. В молекулярных компьютерах вместо кремниевых микрочипов работают молекулы и молекулярные ансамбли, которые могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т. д. По сути, это системы, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

При том, что более 10 трлн ДНК-молекул занимают объем всего в 1 куб. см, такого количества достаточно для хранения объема информации в 10 Тбайт. При этом они могут производить 10 трлн операций в секунду. Размеры молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов, размещаемых на единице площади, то выигрыш в производительности огромный. Так, по расчетам специалистов, эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 млрд раз выше, чем современного кремниевого.

Изображение: hi-news.ru

Безусловное преимущество ДНК-процессоров в сравнении с обычными кремниевыми также в том, что ДНК, работая одновременно, могут производить вычисления не последовательно, как обычные системы, а параллельно, что обеспечивает моментальное выполнение сложнейших математических расчетов.

Уже существуют многочисленные варианты всех основных составляющих биокомпьютера будущего. Например, весьма перспективен молекулярный переключатель, созданный специалистами Hewlett Packard совместно с ведущими американскими инженерами. Есть также прототипы транзисторов на одной молекуле, над которыми работают в Корнеллском и Гарвардском университетах.

Несмотря на то, что ученые создали составные части будущего молекулярного компьютера, собрать все компоненты в работающее устройство весьма проблематично. Однако и в этом случае на помощь может прийти сама природа, а именно - вирусы.  Дело в том, что размер вирусов всего 30 нанометров, это значительно меньше размеров компонентов современных интегральных схем, которые достигают 130 нанометров. Кроме того, вирусы - идеальный каркас для микроскопических электронных систем, поскольку их можно сгруппировать в некое подобие кристаллических решеток. Таким образом, получатся самоорганизующие цепи, способные при минимальном постороннем вмешательстве либо при полном его отсутствии самостоятельно выстраивать полезные трехмерные структуры. А в них будут размещаться компоненты микросхем.

Изображение: Linkoping UniversityПоскольку вирусы способны встраиваться практически в любой живой организм, можно найти способ сделать так, чтобы молекулярные микросхемы выстраивались в нужном порядке сами собой, внедряясь, например, в организм какого-нибудь растения. И успехи в этом уже есть. Так, неделю назад шведские ученые из университета Линчепинга опубликовали в Science Advances статью, в которой описали процесс превращения стеблей растения в провода и транзисторы, а его листьев - в подобие ЖК-дисплея. Автор разработки Магнус Берггрен говорит, что можно размещать различные датчики и устройства внутри растений и использовать энергию, которая производится при помощи хлорофилла, для выращивания новых зеленых антенн или других элементов. Все происходит естественным природным способом, стоит лишь направить процесс в нужном направлении.

Ключевым шагом вперед в создании "зеленых компьютеров" стало открытие полимера PEDOT-S, которым пропитали сосуды в древесине таким образом, что они, транспортируя нутриенты и воду по растению, начинали одновременно проводить ток. Используя растительные "провода" и ионы в этих каналах, ученые создали своеобразные живые транзисторы, и собрали из них простейшие логические устройства. Используя другой состав полимера PEDOT, листья растения превратили в своеобразные биологические пиксели. На базе технологии планируется создать первый полноценный растительный компьютер, который сможет решать простейшие задачи, используя энергию и компоненты самих растений. То есть, вместо того, чтобы создавать скоро микросхемы в высокотехнологичных лабораториях, их будут просто выращивать на грядках.