Forskere udnytter kemisk dynamik til kompleks problemløsning

I skæringspunktet mellem kemi og beregning har forskere fra University of Glasgow udviklet et hybridt digitalt-kemisk probabilistisk beregningssystem baseret på Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaktionen, som kan bruges til at løse kombinatoriske optimeringsproblemer.

Ved at udnytte den iboende probabilistiske natur af BZ-reaktioner demonstrerer systemet emergent adfærd som replikation og konkurrence set i komplekse systemer, der minder om levende organismer. Dette kunne bane vejen for nye tilgange til beregningsopgaver, der er berørt af de begrænsninger, som moderne beregning sætter.

Kombinationen af ​​elektronisk kontrol og kemisk dynamik tilbyder en måde at udføre effektiv beregning på og kombinerer det bedste fra begge til udvikling af adaptive, bio-inspirerede computerplatforme med uovertruffen effektivitet og skalerbarhed.

Forskningen ledet af professor Leroy Cronin, Regius Chair of Chemistry ved University of Glasgow, blev offentliggjort i Nature Communications . Prof. Cronin talte til Phys.org om deres arbejde og erklærede sin motivation bag at forfølge det samme.

"Jeg ville se, om vi kunne lave en ny type kemisk informationsbehandlingssystem, da jeg er inspireret af, hvordan biologi kan behandle information i våde hjerner," sagde han.

Begrænsninger ved moderne databehandling

Moderne databehandling er afhængig af transistorer, byggestenene i elektroniske enheder, der bruges til at skabe logiske porte og hukommelsesceller, der danner grundlaget for digitale kredsløb. Men behovet og efterspørgslen efter mere regnekraft betyder, at transistorer bliver mindre og mindre.

Miniaturiseringen af ​​transistorer har flere begrænsninger på grund af begrænsninger fastsat af fabrikationer og fysikkens love. Jo mindre transistoren er, jo sværere er den at fremstille og kræver mere strøm, spreder mere varme og er mindre og mindre energieffektiv.

Dette har fået videnskabsmænd til at udforske andre former for databehandling, såsom kvantecomputere, som selvom de er ekstremt effektive til at løse problemer, klassiske computere ikke kan lide af skalerbarhedsproblemer på grund af fejlkorrektion.

På den anden side bruger beregning baseret på fysiske processer, såsom kemiske reaktioner, en blanding af systemer såsom digitale, kemiske og optiske. Dette åbner nye veje for ukonventionelle computerarkitekturer med muligheder ud over traditionelle digitale systemer.

BZ-reaktionen

BZ-reaktionen er et klassisk eksempel på en kemisk oscillator, hvor reaktant- og produktkoncentrationerne undergår periodiske ændringer. Det observeres i mange kemiske systemer, såsom laboratoriemiljøer og biologiske systemer.

BZ-reaktionens evne til at udvise kompleks, ikke-lineær dynamik gør den til et attraktivt valg til at studere nye fænomener og ukonventionelle computerparadigmer.

I denne forskning tjener BZ-reaktionen som grundlaget for et hybridt beregningssystem på grund af dets iboende oscillerende adfærd, tilpasningsevne og lydhørhed over for eksterne stimuli. Ved at udnytte dynamikken i BZ-reaktioner kan forskere efterligne kompleks adfærd set i naturlige systemer, hvilket giver en alsidig platform til beregning.

Koncentrationerne kan tjene som binær information (hvor 0 er lave koncentrationer og 1 for høje koncentrationer), og de oscillerende koncentrationer kan tjene som tidsafhængige variable. Derudover kan information forplante sig mellem individuelle celler med BZ-reaktioner gennem processer som diffusion.

Prof. Cronin forklarede yderligere, "Reaktionen har to tilstande til og fra, og hver boks [eller celle] i netværket kan blinke uafhængigt, synkroniseret eller efter kommunikation. Dette er den proces, hvorved systemet kan programmeres til at beregne et problem, som derefter aflæses af kameraet."

En hybrid programmerbar informationsprocessor

Kernen i informationsprocessoren er et 3D-printet net af indbyrdes forbundne reaktorer. Hver reaktor eller celle er vært for BZ-reaktionen, hvilket gør den til en række BZ-reaktioner.

Indgangen til dette array er elektronisk og styres af magnetiske omrørere, der er i stand til at manipulere reaktionen i disse celler. Der er også grænsefladeomrørere, der er i stand til at lette interaktioner mellem koblede celler (via diffusion), dette hjælper med at synkronisere oscillationerne.

Forskerne observerede, at oscillationerne af reaktanten og produktkoncentrationerne forekommer som tvangsdæmpede svingninger, hvor omrørerne spiller en afgørende rolle i at kontrollere dem.

Denne adfærd er et karakteristisk træk ved BZ-reaktioner, hvor kemiske arter gennemgår periodiske ændringer i koncentration over tid. Disse ændringer bemærkes af ændringerne i væskernes farve.

Outputbehandlingen involverer to nøglekomponenter:et konvolutionelt neuralt netværk (CNN) og en genkendelsesfinite state machine (rfsm). Disse komponenter analyserer reaktant- og produktkoncentrationerne i BZ-reaktionen, som opfanges ved hjælp af videokameraer.

CNN klassificerer koncentrationerne i diskrete kemiske tilstande, mens rfsm bestemmer den tilsvarende kemiske tilstand baseret på denne klassificering.

Enkelt sagt klassificeres og bestemmes de diskrete kemiske tilstande baseret på koncentrationerne af reaktanter og produkter i BZ-reaktionen, som i sig selv er sandsynlige på grund af reaktionernes natur.

Den sandsynlige natur opstår, fordi BZ-reaktionen er ikke-lineær, hvilket resulterer i komplekse interaktioner mellem kemiske arter, der udviser iboende variabilitet og uforudsigelighed i deres adfærd over tid.

Hele systemet fungerer jævnt og kontinuerligt baseret på en feedback-loop baseret på væskens skiftende farver. Når koncentrationerne oscillerer, er systemet "tændt" angivet med blå farver, og når der er mangel på svingninger, er væskerne røde, hvilket betyder, at systemet er "slukket".

Denne sløjfe manipulerer omrørerne baseret på farverne og sikrer, at processen er kontinuerlig ved hjælp af "tvungen" eller ekstern kontrol.

Kemiske cellulære automater og løsning af optimeringsproblemer

Forskerne brugte hybridprocessoren til at vise dens beregningsevne ved at implementere kemiske cellulære automater (CCA) i 1D og 2D.

Disse er matematiske modeller til at simulere komplekse systemer sammensat af simple komponenter, der interagerer lokalt med hinanden i henhold til foruddefinerede regler.

Dette fører til opstået adfærd såsom replikation og konkurrence udvist af "Chemits", som er flercellede enheder defineret af mønstre af kemiske koncentrationer i nettet af indbyrdes forbundne reaktorer, der er vært for BZ-reaktionen.

Disse adfærd ligner dem, der observeres i levende organismer og bidrager til beregningssystemets kompleksitet og tilpasningsevne.

Desuden demonstrerer forskerne, at deres beregningsmæssige tilgang, som inkorporerer både elektroniske og kemiske komponenter, effektivt kan tackle kombinatoriske optimeringsudfordringer, såsom problemet med den rejsende sælger.

På applikationssiden kan hybridsystemer som disse være meget nyttige til deep learning-opgaver, der kræver ikke-lineær adfærd. Kemiske systemer tilbyder i sagens natur sådanne egenskaber, hvilket gør hybrid-beregningsarkitekturer ressourceeffektive til specifikke problemer, hvor ikke-lineariteter og sandsynlighedsadfærd er afgørende.

Prof. Cornin tilføjede:"Jeg kan se, at en solid-state version kunne erstatte kunstig intelligens hardware og blive trænet meget lettere."

I fremtiden ønsker han at udforske miniaturiseringen af ​​denne teknologi og øge størrelsen af ​​nettet for at løse virkelig store problemer.

Flere oplysninger: Abhishek Sharma et al., En programmerbar hybrid digital kemisk informationsprocessor baseret på Belousov-Zhabotinsky-reaktionen, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45896-7.

Journaloplysninger: Nature Communications

© 2024 Science X Network