量子计算不是唯一未来，DNA开辟计算机新赛道

1936年，英国数学家艾伦·图灵（Alan Turing）设想创造一个虚拟的机器来代替人类进行纸笔运算的过程。这种机器能够自主执行任何精确编码算法。通过读取一条无限长的纸带，纸带上分布着不同的符号，机器可以实现转录、翻译或计算，将代码转化为消息，或直接计算出数学问题的答案。这就是图灵机。它是现代计算机的理论模型。虽然我们现在使用的笔记本电脑并不依赖这种“磁带”来运行程序，但事实上，运行的原理是一样的。

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“图灵机为现代计算奠定了基础。”时间过了近100年，科学家们对于计算机的未来又有了新想法。英国曼彻斯特大学有机化学家大卫·利（David Leigh）致力于将计算机缩小到分子大小已经有25年。他认为，图灵机器的分子版本可以有助于构建有机领域新研究方向，比如新药研发、新材料研发等。

目前，科学家已经在大自然里找到了最棒的模型——DNA——生物细胞内携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息的一种核酸，生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。没有它们，地球上的任何生命都无法运转。

所以，分子计算机又被称为脱氧核糖核酸（DNA）分子计算机，可以模拟人脑的生物功能进行数字计算。它是根据图灵机的模型设计的，图灵机的操作与DNA链极为相似。阅读开端从一个字母到另一个字母，在每个位点都执行4步操作：阅读字母；用另一个字母替代该字母；改变它的内部形态；移动到下一个位置。一张指令表就是翻译规则或翻译软件，指示这些操作，构成了图灵机的简化版。

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目前，分子计算机仍然存在于理论中，造出能够正式工作的机器，还有很远的路要走。科学家正在努力构建它。Leigh团队在2007年设计了一种由光驱动的环状“棘轮”分子，可以沿着分子轨道前进。但这并不是李真正想要的：生物系统应该是由化学燃料驱动的，而不是光。

五年前，他们找到了如何使用三氯乙酸作为化学燃料推动这些棘轮分子的方法：将机器置于酸液体中，用脉冲震动，当酸分解时，液体pH值发生变化，从而触发轨道分子引导头部分子向前一步，永不后退。这好比一台自动扶梯或一条拉链，锯齿形的轨道将运动限制在一个方向上。

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综合多年来的研究成果，最近，该团队又有了新突破，他们证明了分子计算机可以在移动时阅读。他们在一个分子（磁带）上编码信息块，并设计另一个分子沿其长度（头部）滑动。当磁头沿着磁带移动时，每次扫描特定的信息块，磁头都会扭曲成可预测的形状。这使得团队能够根据头部形状的变化来解读磁带上的信息，从而读取代码。

该团队为这项研究设计的分子磁带比传统的二进制位“更上层楼”。二进制位可以是0或1。而磁带上的每个信息块都是以三元或三元代码编写的，取值为-1、0或+1。他们之所以会选择信息密度更高的位元，是因为读取头的物理特性。当头部贴到-1时，它会以可预测的方式扭曲。当它粘贴到+1的部分上时，它会以相反的方式扭曲。对于0，则无扭曲。

然后，他们使用了一种称为圆二色光谱的方法来确定棘轮在磁带上缓慢移动时的形状：当分子机器读取时向其照射光线，三种扭曲对应不同的光线，这让科学家们能够通过读取光线来了解头部是如何改变形状的。结果显示，磁头对读取的内容有反应。换句话说，他们通过物理和化学过程实现了分子级别的信息传递。

虽然这种“读取”的速度还很慢，可以读取的信息也很少。但Leigh并不担心，因为在自然界中，DNA每秒可以读取大约20位数字。他认为读取速度将来一定可以提上来。此外，如何将信息打包到尽可能小的空间中，实现计算、数据存储或检索信息等，也是一个关键。他称之为“技术的终极小型化”。他想象有一天能够使用5路或7路代码，把更多的信息嵌入到磁带中。

下一步，团队的目标是让分子计算机写作。在已发表的论文中，Leigh的团队提出，形状变化的读取器分子也许能够根据其形状催化不同的化学反应。（读一个+1，创建分子A。读一个0，创建分子B。）可以想象，一个装满这样阅读器的分子，就像一个工厂，也许可以生产出细胞永远无法制造出来的超高分子。

“世界上所有的蛋白质都是基于20个氨基酸的某种组合。比如蛛丝是一种蛋白质，却比钢铁坚韧五倍。不同顺序的组装也许会产生意想不到的效果。”Leigh特别想用这种方式制造新型塑料。聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯和聚丙烯等塑料是聚合物，是相同重复单元的长链或单体。谁知道将这些单体混合会产生什么样的超级材料呢？

Leigh对于分子计算机满怀雄心壮志。然而“做梦”容易实现却难。要想一步步实现最终目标，他和团队还有很长的路要走。

转自：“知社学术圈”微信公众号

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