基本介紹
- 中文名：分子電腦
- 外文名：molecular compute
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日本開發首台分子電腦 可模仿大腦工作
此機器是由17個杜醌(duroquinone)分子，其中1個杜醌分子居中，充當控制部，另外16個分子圍繞著它，都是在金表面上通過自我組合而成的。日本筑波市國立材料科學研究所的人工智慧和分子電子學科學家安尼班·班德亞帕德耶(Anirban Bandyopadhyay)解釋稱，杜醌的直徑不到1納米，它比可見光波長還要小數百倍。而且，杜醌分子是六邊形面上連線著4個圓錐細胞，看上去就像一輛小汽車。
分子計算機仿真人腦工作進展
一隊來自日本及美國密西根州的硏究人員硏制了一台可以模仿人類大腦運做的分子計算機。這個微電路由黃金為基底上的有機分子構成，並能應付神經元的高速傳導進行超高速的並行計算。
“我看到你，結認你，與你交談，並聽到有人在走廊上行走，所有這些都是瞬間發生，但即使是最快的計算機這卻是一個艱巨的任務。”密西根理工大學物理學家蘭吉特帕蒂在一份新聞稿中說道。
這是因為計算機處理信息的是順序進行的，而大腦則是一個複雜的網。大腦中的電脈衝隨著神經網路進行著多個複雜並發操作，然而計算機則無法做到這一點。
為了製造這台聰明計算機，帕蒂和他的同事使用了一種稱為DDQ的有機分子，它是由氮，氧，氯和碳構成。相對於使用二進制開關0和1的數字計算機，它可以在0，1，2和3四種狀態之間進行切換。“這樣做的好處是，將近有300個分子在處理信息時能同時互相通話，”帕蒂說，“我們將模仿神經元在大腦中的有怎樣的表現。”
有機體處理器具有智慧型並且可自我回復。在相同的格線內它可以解決幾個問題，而且如果發現缼失，它能自我恢復。相類似的，大腦也同時處理幾個問題，如果一個神經元死亡，另一個神經元會接替其工作。有機體處理器可以為當今的計算機所解決不了的問題提供答案。例如，沒有一個已知的算法能夠讓當今的計算機預測自然災害和疾病暴發。密西根理工學院在新聞稿中說道。為了證明處理器的性能，硏究團體在分子層中模仿了兩個自然現象: 熱擴散和癌細胞的演變。
該電路的模式，看起來簡直像是一個大腦在運作- 掃描隧道顯微鏡圖像看起來與人腦的核磁共振成像有著驚人的類似。有了這樣的突破，新奇產品的出現只是時間問題。
工作原理
科學家通過來自掃描隧道顯微鏡特別尖的導電針上的電脈衝來調節此居中的杜醌分子，從而對此裝置進行操作。由於電脈衝強度的不同，此分子及其4個圓錐細胞將出現不種方式的移位。再加上居中杜醌分子與周圍的16個杜醌分子連線的化學鍵不牢固，從而導致每一個分子也出現移位變化。這就像推倒一塊多米諾骨牌會引發一連串的多米諾骨牌倒下。
可以想像一下，1隻蜘蛛位於由16根蜘蛛絲編織的蜘蛛網中心，當蜘蛛向某一個方向移動時，每根連線它的蜘蛛絲就會各自感受稍有不同的拖拉。依照這種方式，居中杜醌分子的電脈衝可同時向周圍16個分子傳送不同的指令。研究人員稱這項設計是受大腦細胞的啟發，因為大腦神經細胞有樹狀一樣的放射狀神經分枝，每一個分枝都習慣於和其他大腦神經細胞溝通，傳輸指令。電腦科學家表示未來幾十年巨大的並行處理會革新電腦的思維方式。
專家說明
班德亞帕德耶說，所有這些連線正是大腦如此強大的原因。由於杜醌擁有4個圓錐細胞，本質上就有4個不同的配置。再由於此居中杜醌分子還同時控制其他16個分子，從算術上計算，這意味著一個電脈衝信號可以實現4的16次方(近43億)種不同的結果。相比之下，普通電晶體計算機一次僅能夠執行一種指令，或0或1，僅有兩種不同結果。
研究人員使用掃描隧道顯微鏡確實讓此16個分子正如他們所希望的那樣回應了中心控制分子的指令。這就像空間站和太空船通話一樣。如果你看過科幻電影《神奇旅程》，就明白這是怎么回事。
加以利用
科學家可以將這種裝置與其他分子相結合來使用。比如：研究人員建造一批僅由分子構成的機器，如發動機、推進器、電閘、電梯和感測器等。此裝置將提供辦法來控制所有其他裝置整體性地協調運轉。的確，班德亞帕德耶及其同事證實了他們可以讓他們的發明調控8台這種分子機器協同工作，好像它們都是微型工廠的一部分。
班德亞帕德耶稱，此發明還可用於控制複雜分子機器上裝備的元件。今後的套用之一將醫學領域，構想將這樣的分子儀器植入血液中，或許能夠摧毀人體內的腫瘤。將來腦瘤患者不用做手術，因為血液中的分子組裝機會直達目標地，執行目標任務。目前此發明的套用是掃描隧道顯微鏡上配備的特別尖的導電針。然而，班德亞帕德耶希望將來能使用分子代替導電針，對此裝置傳送指令。另一套用是基於大腦工作方式建造巨大平行處理的超級電腦。
此裝置需要在真空和零下196攝氏度極冷的條件下製成，不過，它卻能在室溫條件下正常工作。研究人員可以將此裝置從二維的16分子環狀結構擴展至三維的1024分子球狀結構。這意味著它能同時執行1024個指令，產生4的1024次種不同的結果。這項研究成果發表在3月10日出版的《美國國家科學研究院學報》上。
化學：UCLA化學家在分子電腦上有重大進展
UCLA化學家宣布在分子電腦上有重大進展，同時也首次展示一種可重新裝配的分子開關(reconfigurable molecular switch)，其工作環境為室溫之固態。在積體電路中基本的元件就是如電晶體這樣的矽晶開關元件，這團隊擬由有機分子開關來取代這矽晶元件。現在，這個障礙的突破將使得未來分子電腦之製造可比現今之矽晶電腦更便宜、更小、而且更有效率。
這個研發團隊是由 UCLA 之 James R. Heath、J. Fraser Stoddart以及 Pat Collier 所領導，並包含了 Hewlett-Packard 公司的研究人員。去年這團隊在 Science 發表之分子開關只能切換一次，因此只能套用在靜態儲存(static storage)。如今發表的分子開關可以重複動作數百次。Heath 說: "這個進步不再是遲緩的漫步，而是快速的前進"。
