Hvordan kemiske reaktioner beregnes

Et enkelt molekyle indeholder et væld af information. Det inkluderer ikke kun antallet af hver type af atomer, men også hvordan de er arrangeret og hvordan de knytter sig til hinanden. Og under kemiske reaktioner, at information bestemmer resultatet og bliver transformeret. Molekyler støder sammen, gå i stykker, samle igen, og genopbygge på forudsigelige måder.

Der er en anden måde at se på en kemisk reaktion, siger Santa Fe Institutes ekstern professor Juan-Pérez Mercader, som er fysiker og astrobiolog baseret på Harvard University. Det er en slags beregning. En computerenhed er en, der tager information som sit input, transformerer derefter denne information mekanisk og producerer noget output med et funktionelt formål. Input og output kan være næsten alt:Tal, bogstaver, genstande, billeder, symboler, eller noget andet.

Eller, siger Pérez-Mercader, molekyler. Når molekyler reagerer, de følger de samme trin, som beskriver beregning:Input, transformation, produktion. "Det er en beregning, der styrer, hvornår visse begivenheder finder sted, " siger Pérez-Mercader, "men på nanometerskalaen, eller kortere."

Molekyler kan være små, men deres potentiale som beregningsværktøj er enormt. "Dette er et meget kraftfuldt computerværktøj, der skal udnyttes, " han siger, bemærker, at et enkelt mol af et stof har 10^23 elementære kemiske processorer, der er i stand til at beregne. I de sidste par år, Pérez-Mercader har udviklet et nyt felt, han kalder "native chemical computation." Det er en mangefacetteret søgen:Han vil ikke kun udnytte kemisk databehandling, men også finde udfordringer, som den er bedst egnet til.

"Hvis vi har så stor en magt, Hvilken slags problemer kan vi tackle?" spørger han. De er ikke de samme som dem, der måske bedre kan løses med en supercomputer, han siger. "Så hvad er de gode til?"

Han har nogle ideer. Kemiske reaktioner, han siger, er meget gode til at bygge ting. Så i 2017 hans gruppe "programmerede" kemiske reaktioner til at bruge en masse molekyler til at samle en beholder. Forsøget viste, at disse molekyler, i en vis forstand, kunne genkende information - og transformere den på en bestemt måde, analogt med beregning.

Pérez-Mercader og hans chefsamarbejdspartner på projektet, kemiingeniør Marta Dueñas-Díez ved Harvard og Repsol Technology Lab i Madrid, for nylig offentliggjort en gennemgang af deres fremskridt med kemisk beregning. I det, de beskriver, hvordan kemiske reaktioner kan bruges, i et laboratorium, at bygge en bred vifte af velkendte computersystemer, fra simple logiske porte til Turing-maskiner. Deres resultater, siger Pérez-Mercader, foreslår, at hvis kemiske reaktioner kan "programmeres" som andre typer computermaskiner, de kan blive udnyttet til applikationer på mange områder, herunder intelligent medicinlevering, neurale netværk, eller endda kunstige celler.