想象一台没有芯片、没有电路板、也不插电的“计算机”。它的全部零件,只是试管里的一滴盐水,和溶在其中的数万亿条DNA链。

爱尔兰梅努斯大学的研究团队,真的造出了这样的计算机。他们让DNA链在盐水里“抱团”,完成了加法、乘法和除法。

这项成果9月17日发表在《自然》杂志上。

它没有要取代你的电脑,却让人看到:算力,也许不只有硅一条路。更重要的是,这条路可能更省电。

一滴水里的“计算”:DNA计算机怎么工作

这台计算机,由短的DNA链,组装在较大的DNA“支架”上,悬浮在试管里的盐溶液中。

研究人员通过加热和冷却溶液,来驱动分子之间的相互作用,从而完成数学运算。整个过程,没有芯片,也没有电流。

这套“分子计算”的想法并不新,上世纪90年代,科学家就提出过用DNA做计算。但要让它既可靠,又够快,一直是难题。

论文共同第一作者阿比尔·埃什拉博士说,一小滴液体里,就含有数十亿、有时甚至数万亿条DNA链。这些DNA链彼此作用,最终产生一个结果。

项目负责人达米恩·伍兹教授说:“分子相互作用,形成一种结构,而那个结构就是答案。”一个关键的创新在于,系统自然地找到了这个答案,不需要持续的能量输入。

打个比方,这不像一台机器在“一步步算”,更像一群拼图片,自己“咔哒”地拼成了最终画面。

省电的“另一条路”

这项研究的一个重要看点,是能耗。

硅基计算机,需要在运行期间持续供电。伍兹教授指出,爱尔兰23%的电力,用在了计算和数据存储上。

他说,我们一直被“只看到一种计算机”蒙住了双眼,其实身边还有其他例子,包括我们的大脑。

DNA计算机的工作方式不同:它靠加热和冷却,来启动分子间的相互作用完成计算,不需要全程持续输入能量。

在数据中心的巨大电力需求日益引发担忧的当下,这样的低能耗潜力,显得格外有吸引力。当然,这只是“潜力”,还要看规模化后的整体能耗。

这也是各国都在寻找“后硅时代”计算路径的原因之一。

研究团队属于一个名为“基于DNA的存储与计算基础设施”的项目,由伍兹教授牵头,得到了欧洲创新委员会400万欧元的资助。通过这一项目,研究人员正在开发用DNA做计算和存储数据的新方法。

算得“慢”,但在DNA计算机里已是“最快”

这套系统能做的计算,对于如此另类的计算方式来说,已经令人印象深刻。

但它仍远比传统硅计算机慢。团队在这台DNA计算机上运行了十个程序,计算时间差异很大。

一道简单的加法题,10加3,大约用了半分钟。

而涉及1100万到3400万之间数字的100位计算,则最多花了14小时。

尽管如此,研究人员展示了它能可靠地完成一系列计算,包括连续解决25道题。这在DNA计算领域是一项重要进展。

更重要的是,它在“可靠、快速、可再生、可扩展”这几个方向上,都作出了尝试,这也是论文标题的关键词。

埃什拉博士说,试管里的反应很快,但没有硅快,也不打算和硅比。但与其他DNA计算机相比,他们的这台是最快的。

换个角度说,它不是一辆要和“跑车”比速度的车,而是一款走新路的“实验车”。

不只为算数:未来可能走进细胞和医疗

因为DNA计算发生在分子层面,这项技术未来还可能应用于生物或医学领域。

例如,设计成在细胞内工作,或检测疾病迹象的系统。这是“把计算带进生命体内”的想象。

硅芯片再强,也很难塞进一个活细胞里。而DNA本身,就是生命的语言。所以,DNA计算机的“主场”,或许并不在你的书桌,而在你的血管和细胞里。

当然,这些都还只是遥远的设想。

伍兹教授总结说:“这是探索未知的基础科学。我们不知道未来会把我们带到哪里。”

这句话,恰恰是好奇心驱动科学的典型写照。今天看似“慢”和“怪”的技术,也许正孕育着明天意想不到的用途。

就像早期的电子计算机,也曾又大又慢,却改变了世界。

我们无法预知,DNA计算机会走多远。

但至少,它提醒我们,计算,可以不只有芯片这一种样子。

*说明:该文原文较短,本篇补充了少量背景以便读者理解。