İrlandalı bilim insanları DNA temelli moleküler bilgisayar geliştirdi

İrlandalı bilim insanları, karmaşık matematik problemlerini saf termodinamik denge yardımıyla çözen yeni bir moleküler bilgisayar geliştirdi. DNA temelli sistemin öne çıkan özelliği, doğru cevaba kendiliğinden ulaşması. Çalışma, bilgisayarların gerçek enerji tüketimi ile teorik olarak ihtiyaç duyulan enerji arasındaki büyük farkı gözler önüne seriyor.

Günümüz elektroniği ve insan eliyle tasarlanmış biyolojik sistemler, hesaplama yaparken büyük miktarda enerji harcıyor. Hataları önlemek için bilim insanları şimdiye kadar karmaşık ve kaynak yoğun kinetik kontrol mekanizmalarına başvurmak zorunda kaldı. İrlandalı araştırma ekibi ise bilgisayarını, doğru cevabın sistemin en düşük enerjili kararlı durumuna karşılık gelmesi ve oraya kendiliğinden ulaşması üzerine tasarladı.

Bilgisayarların enerji tüketimi, onlarca yıldır hesaplama için teorik olarak gereken enerji miktarını aşıyor. Önceki moleküler bilgisayarlar, hataları önlemek için makineye sürekli enerji pompalamak zorunda olduğundan adeta akıntıya karşı yüzüyordu. Araştırma grubunun lideri Damien Woods'a göre, bilgisayarların gerçek ve teorik enerji tüketimi arasındaki bu devasa uçurum, mevcut teknoloji tasarımının tamamen yeniden düşünülmesi için güçlü bir itici güç oluşturuyor.

Kendi kendini onaran bir bulmaca gibi çalışıyor

Yeni DNA bilgisayarı özünde kendi kendine birleşen bir bulmacayı andırıyor. Makinenin omurgasını, üzerine özel hesaplama bloklarının sırayla bağlandığı uzun, tek boyutlu bir iskelet oluşturuyor. Programlama dili işlevi gören bu küçük parçalar, moleküler düzeyde kendileri için fiziksel olarak en uygun yuvayı arıyor. Yanlış konuma yerleşen blokların bağlantısı zayıf kalıyor ve kısa sürede sistemden düşüyor. Böylece bilgisayarın ayrı bir hata düzeltme mekanizmasına ihtiyacı kalmıyor. Nihai cevap, ancak tüm parçacıklar doğru konumlara oturup aralarındaki bağlantılar tamamen uyumlu hale geldiğinde ortaya çıkıyor. Araştırmanın ortak yazarlarından Tristan Stérin'e göre bu yaklaşım, kavramsal olarak basit ve son derece hataya dayanıklı bir bilgi teknolojisi aracı doğuruyor.

Araştırmacılar, geliştirdikleri bilgisayarın performans sınırlarını görmek istedi ve makineye karmaşık matematiksel işlemler yaptırdı. Öncekinden kat kat büyük bir ağ kurmak için malzemeyi doğrudan doğadan ödünç aldılar. Yeni iskeletin çekirdeğini, zararsız bir virüs olan M13 bakteriyofajından elde edilen uzun bir DNA zinciri oluşturdu. Cihaz bu biyolojik temel üzerinde 25 bitlik sayıları hatasız biçimde topladı. Sistem uzun sayıları toplarken küçük moleküllerin matematik dilinde 100 bitlik bir işlem dizisini katetmesi gerekti. Bilgisayar yalnızca sayı toplamakla kalmadı; iskelete yerleştirilen bloklar verilerin çiftlik durumunu tespit edebildi, değerleri üçle çarpabildi ve hatta üçlü sayı sistemindeki birimleri ikiye bölebildi. Araştırmanın ortak yazarlarından Constantine Glen Evans'a göre modelin gerçek kapasitesini kanıtlayan şey tam da bu ölçek.

Makineye zor matematik problemleri verilmesine rağmen, bunları mikrodüzeyde göze çarpacak hızda çözdü. Daha basit algoritmalarda moleküller 60 saniyeden kısa sürede kararlı nihai cevaba ulaştı. Araştırmacıların topladığı veriler, ekibin yeni iskeletle moleküler bilgisayarlar tarihinde kesin bir hız rekoru kırdığını gösteriyor.

Yeniden kullanılabilir ve dayanıklı

Pek çok önceki laboratuvar modelinin aksine, yeni DNA bilgisayarının ilk kullanımdan sonra hemen atılması gerekmiyor. Makineyi başlangıç durumuna döndürüp yeni bir işlem başlatmak için yalnızca birkaç DNA zinciri eklemek yeterli. Araştırmanın ortak yazarlarından Abeer Eshra, "Zekice tasarlanmış enerji manzarası, aynı programları kolayca ve zahmetsizce tekrar tekrar uygulamamıza olanak tanıyor" dedi. Art arda denemelerde makine aynı algoritmayı tam 25 kez hatasız çalıştırdı. Uzun döngü boyunca çok az veri kayboldu. Hatta önceki görevlerden iskelette takılı kalan sözde moleküler çöp bile bilgisayarın çalışmasını sarsmadı.

Bilgisayarın enerji manzarası yeniden tasarlandı, yanlış bağlanan parçacıklar dağılarak düz platolarda takılmadı. Önceki DNA bilgisayarları sürekli sıcaklık ayarı yapmayı ve laboratuvar cihazlarını elle temizlemeyi gerektiriyordu. Yeni model bu angaryayı büyük ölçüde fizik yasalarının insafına bırakıyor. Deneyler, kopyalama programlarının verileri iskelet üzerinde 25 adım boyunca başarıyla taşıdığını gösterdi. Hatalı bağlantılar, sistem sonunda soğuyup dinlenme durumuna geçmeden önce kendiliğinden dağıldı.

Yeni makine, daha tasarruflu bir bilgisayar neslinin kapısını aralayabilir. Gelecekte mühendisler benzer kendi kendini onaran modelleri son derece dayanıklı DNA veri depolama birimlerinde kullanabilir. Daha da geniş bir uygulama alanı akıllı biyolojik sistemlerde olabilir. Orada küçük moleküler makineler bir gün doğrudan canlı hücrenin içinde yaşamsal kararları bağımsız olarak verebilir. Araştırmanın yürütücüsü Damien Woods, yeni başarının bilim dünyasını termodinamik açıdan elverişli ve enerji tasarruflu hesaplama platformlarını çok daha ciddi biçimde değerlendirmeye teşvik edeceğini umduğunu belirtti.