Химический компьютер , также называемый реакционно-диффузионным компьютером , компьютером Белоусова-Жаботинского ( БЗ ) или компьютером gooware , представляет собой нетрадиционный компьютер, основанный на полутвердом химическом «супе», где данные представлены различными концентрациями химических веществ. [1] Расчеты выполняются на основе естественных химических реакций .
Первоначально химические реакции рассматривались как простой шаг к устойчивому равновесию, который не был очень перспективным для вычислений. Ситуация изменилась благодаря открытию , сделанному советским учёным Борисом Белоусовым в 1950-х годах. Он создал химическую реакцию между различными солями и кислотами, которые колеблются между желтым и прозрачным цветом, потому что концентрация различных компонентов циклически меняется вверх и вниз. В то время это считалось невозможным, поскольку казалось, что это противоречит второму закону термодинамики , который гласит, что в закрытой системе энтропия со временем будет только увеличиваться, заставляя компоненты смеси распределяться до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, и создавая любые изменение концентрации невозможно. Но современный теоретический анализ показывает, что достаточно сложные реакции действительно могут включать волновые явления, не нарушая при этом законов природы. [1] [2] (Убедительная непосредственная демонстрация была достигнута Анатолием Жаботинским с помощью реакции Белоусова-Жаботинского, демонстрирующей спиралевидные цветные волны.)
Волновые свойства реакции БЗ означают, что она может перемещать информацию так же, как и все другие волны. При этом по-прежнему не требуется вычислений, выполняемых обычными микросхемами с использованием двоичного кода , передающего и меняющего единицы и нули через сложную систему логических элементов . Для выполнения любых мыслимых вычислений достаточно иметь вентили И-НЕ . (Вход NAND имеет два бита на входе. Его выход равен 0, если оба бита равны 1, в противном случае — 1). В версии химического компьютера логические элементы реализованы с помощью волн концентрации, блокирующих или усиливающих друг друга различными способами.
В 1989 году было продемонстрировано, как светочувствительные химические реакции могут выполнять обработку изображений . [3] Это привело к подъему в области химических вычислений. Эндрю Адамацки из Университета Западной Англии продемонстрировал простые логические элементы, используя процессы реакции-диффузии . [4] Кроме того, он теоретически показал, как гипотетическая «2 + среда», смоделированная как клеточный автомат, может выполнять вычисления. [5] Адамацкого вдохновила теоретическая статья о вычислениях с использованием шаров на бильярдном столе, чтобы перенести этот принцип на BZ-химию и заменить бильярдные шары волнами: если в растворе встречаются две волны, они создают третью волну, которая зарегистрирован как 1.
Одной из проблем нынешней версии этой технологии является скорость волн; они распространяются всего лишь со скоростью несколько миллиметров в минуту. По мнению Адамацкого, эту проблему можно решить, разместив ворота очень близко друг к другу, чтобы обеспечить быструю передачу сигналов. Другой возможностью могут быть новые химические реакции, в которых волны распространяются гораздо быстрее.
В 2014 году система химических вычислений была разработана международной командой, возглавляемой Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий (Empa). Химический компьютер использовал расчеты поверхностного натяжения, полученные на основе эффекта Марангони с использованием кислотного геля, чтобы найти наиболее эффективный маршрут между точками A и B, опередив традиционную спутниковую навигационную систему, пытающуюся рассчитать тот же маршрут. [6] [7]
В 2015 году аспиранты Стэнфордского университета создали компьютер, использующий магнитные поля и капли воды, наполненные магнитными наночастицами , иллюстрируя некоторые основные принципы химического компьютера. [8] [9]
В 2015 году студенты Вашингтонского университета создали язык программирования химических реакций (первоначально разработанный для анализа ДНК ). [10] [11]
В 2017 году исследователи Гарвардского университета запатентовали химическую машину Тьюринга, работающую на основе нелинейной динамики реакции Белоусова-Жаботинского . [12] Система, которую они разработали, способна распознавать язык Хомского типа 1, используя соображения свободной энергии Гиббса . Впоследствии эта работа была опубликована в 2019 году, включая системы для языков Хомского типа 2 и типа 3. [13]
В 2020 году исследователи из Университета Глазго создали химический компьютер с использованием 3D-печатных деталей и магнитных мешалок для управления колебаниями среды BZ. При этом они смогли вычислять двоичные логические элементы и выполнять распознавание образов. [14]