ДНК-компьютер сложил два 25-битных числа, сделав верный ответ более устойчивым

Вычисление можно закодировать так, чтобы наиболее устойчивое расположение молекул соответствовало ответу. В работе, опубликованной 16 сентября в Nature, исследователи собрали ДНК-компьютер, выполнивший десять программ, включая сложение двух 25-битных чисел. Они называют это вычислением на 100 бит, поскольку учитывают 50 входных бит, 25 бит переноса между позициями и 25 выходных. Это не означает сложение двух 100-битных чисел.

В системе длинная нить ДНК служит каркасом, к отдельным местам которого прикрепляются короткие нити. Набор доступных нитей задает программу и исходные данные. Каждый элемент взаимодействует и с соседями: совместимые сочетания связываются прочнее, а неудачно подошедший элемент может отсоединиться и быть заменен. Последовательность молекулярных выборов представляет логические шаги вычисления, и предпочтительная сборка содержит ответ.

Тристан Стерин, Абер Эшра и их коллеги испытали задачи от проверки четности — выяснения, четно или нечетно число единиц среди восьми двоичных разрядов — до умножения и деления. Они считывали выход по флуоресценции и сравнивали с контрольными сборками с заранее известными ответами. В коротких системах результаты различались после охлаждения продолжительностью около минуты. В простой программе входные данные многократно меняли, и сигналы оставались различимыми после 25 обновлений.

Для более крупного сложения понадобились 25 позиций на каркасе и гораздо больше времени: в некоторых условиях результат считывали примерно через час, а в более трудном варианте — примерно через 14 часов. Нити нужно было изготовить, смесь нагреть и охладить. Термодинамический аргумент состоит в том, что при сборке состояние с правильным ответом спроектировано как энергетически предпочтительное; исследование не измеряло преимущества по расходу электричества перед электронными компьютерами.

Работа показывает на перепрограммируемой платформе, что разные вычисления могут возникать из обратимой конкуренции молекул, без жестко заданного порядка действий для каждого элемента. Практическое применение потребует проверки масштаба, быстродействия и полных энергетических затрат. Пока это новый путь к химическим схемам, а не замена кремниевым процессорам.