Nadciągają żywe komputery kwantowe. Chcą wykorzystać DNA do obliczeń
Naukowcy odkryli sposób manipulowania DNA na poziomie atomowym, co otwiera możliwość stworzenia biologicznych komputerów kwantowych.
Naukowcy z Uniwersytetu Pekińskiego dokonali przełomowego odkrycia, które może zrewolucjonizować sposób, w jaki myślimy o przechowywaniu i przetwarzaniu danych. Wykorzystując gradienty pola elektrycznego, badacze zdołali manipulować DNA na poziomie atomowym, otwierając tym samym drzwi do potencjalnego wykorzystania tego nośnika życia jako mechanizmu pamięci i obliczeń w przyszłych komputerach kwantowych.
Zespół chińskich naukowców, korzystając z symulacji dynamiki molekularnej oraz obliczeń kwantowo-chemicznych, odkrył, że spin jądrowy azotu można precyzyjnie kontrolować za pomocą specjalnie dobranych gradientów pola elektrycznego. To oznacza, że DNA, które od miliardów lat służy jako nośnik informacji genetycznej, może stać się również swoistym układem obliczeniowym.
Spin jądrowy to jedna z własności cząstek subatomowych, która odgrywa kluczową rolę w technologii komputerów kwantowych. Dotychczas badania nad jego kontrolą skupiały się głównie na atomach osadzonych w strukturach krystalicznych, jak diamenty czy krzem. Teraz okazuje się, że można go kontrolować w znacznie bardziej biologicznym środowisku.
Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Intelligent Computing.
Potencjał DNA w erze komputerów kwantowych
Aby zrozumieć w pełni znaczenie tego odkrycia, wyjaśnić musimy, czym jest spin i co wspólnego ma z komputerami kwantowymi.
W komputerze kwantowym rolę jednostki informacji kwantowej pełni kubit. Kubity mogą być wykonane z uwięzionych jonów, fotonów, sztucznych lub prawdziwych atomów albo kwazicząsteczek.
W tradycyjnych komputerach podstawową jednostką informacji jest bit, który może przyjmować wartość 0 lub 1. W komputerach kwantowych kubit może istnieć w stanie 0, 1 lub w ich superpozycji (równocześnie 1 i 0), co oznacza, że może przyjmować wiele stanów jednocześnie, zwiększając moc obliczeniową systemu.
Spin to kwantowa właściwość cząstek elementarnych, która nie ma odpowiednika w świecie klasycznym. Jest to moment pędu tych cząstek. W bardzo dużym uproszczeniu możemy wyobrazić sobie, że jest to kierunek obrotu. Spin może być w górę, w dół itp. Im więcej kierunków spinu, tym więcej możliwości ma kubit, który może przyjmować więcej wartości.
DNA jako komputer przyszłości
Z "ruchem wirowym" jądra atomu związany jest jego moment pędu zwany spinem jądrowym. Spin jądrowy to szczególny przypadek kubitu, który można kontrolować za pomocą pól magnetycznych lub – jak pokazują badania nad DNA – pól elektrycznych. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu spinem naukowcy mogą przechowywać i przetwarzać informacje kwantowe w sposób bardziej stabilny niż w innych układach, co ma ogromne znaczenie dla rozwoju komputerów kwantowych.
W kontekście badań nad DNA oznacza to, że jeśli uda się skutecznie manipulować spinami atomów azotu w DNA, to struktura ta może posłużyć nie tylko jako nośnik informacji, ale także jako element kwantowych obliczeń. To może otworzyć zupełnie nowe możliwości w dziedzinie biologicznych komputerów kwantowych.
W praktyce może to oznaczać, że w przyszłości komputery kwantowe mogą korzystać z DNA jako naturalnego nośnika danych. Tradycyjne komputery kwantowe, jak te rozwijane przez Google czy IBM, wymagają ekstremalnie niskich temperatur i skomplikowanej infrastruktury. DNA, jako struktura organiczna, mogłoby funkcjonować w bardziej naturalnych warunkach, otwierając drogę do nowej generacji biologicznych układów obliczeniowych.
Więcej o komputerach kwantowych przeczytasz na Spider's Web:
Rewolucja w DNA
No dobrze, ale czym jest gradient pola elektrycznego? Jest to miara tego, jak szybko zmienia się natężenie pola elektrycznego w przestrzeni.
Wyobraźmy sobie pole elektryczne jako krajobraz. W niektórych miejscach krajobraz jest płaski (natężenie pola jest stałe), a w innych miejscach teren jest górzysty (natężenie pola zmienia się szybko). Gradient pola elektrycznego wskazuje kierunek, w którym "nachylenie" jest największe, czyli gdzie natężenie pola zmienia się najszybciej.
Matematycznie, gradient pola elektrycznego jest wektorem, który w każdym punkcie przestrzeni wskazuje kierunek największego wzrostu natężenia pola. Długość tego wektora jest równa szybkości, z jaką natężenie pola zmienia się w tym kierunku.
W kontekście manipulacji DNA, gradient pola elektrycznego pozwala naukowcom precyzyjnie kontrolować siły działające na cząsteczki DNA. Zmieniając gradient pola, można "sterować" atomami azotu w DNA i wpływać na ich spiny jądrowe. To z kolei otwiera nowe możliwości w zakresie przechowywania i przetwarzania informacji na poziomie molekularnym.
Nowy sposób kontrolowania DNA
Nasze badania ujawniły wzory głównych kierunków osi gradientu pola elektrycznego w miejscach atomów azotu w cząsteczkach DNA, wykazując, że kierunki te są ściśle związane z rodzajami zasad i trójwymiarową strukturą DNA - powiedzieli autorzy.
Wzory spinów jądrowych azotu kodują zatem trójwymiarowe informacje o strukturze i informacje o sekwencji zasad cząsteczek DNA. Dlatego też, kontrolując sekwencję zasad w DNA, mogłyby być używane jako mechanizm do obliczeń kwantowych opartym na DNA.
Spiny jądrowe protonów wykazują bardziej złożone i zróżnicowane właściwości, co pozwala im uzyskiwać informacje poprzez interakcje ze spinami jądrowymi azotu w celu osiągnięcia funkcji obliczeniowej. Ten mechanizm umożliwia możliwość obliczeń kwantowych przy użyciu DNA.
Atomy azotu w DNA są połączone albo z trzema, albo z dwoma atomami, co skutkuje różnymi orientacjami gradientu pola elektrycznego. W pierwszym przypadku główna oś jest zawsze prostopadła do płaszczyzny podstawy, podczas gdy w drugim główna oś albo jest wyrównana z dwusieczną wiązań, albo jest prawie prostopadła do niej, w zależności od zasady i rodzaju azotu. Orientacje te różnią się w przypadku czterech zasad: adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy.
Aby zbadać gradienty pola elektrycznego w DNA, autorzy wykorzystali symulacje dynamiki molekularnej do modelowania współrzędnych atomowych cząsteczki DNA w czasie. Użyli solwatowanego układu DNA z dodanymi jonami, aby zapewnić neutralność, stosując rygorystyczne kroki równoważenia i symulacji. Następnie przeprowadzono obliczenia chemii kwantowej na wybranych podzbiorach nukleotydów, skupiając się na pozycjach atomów azotu w zasadach DNA.
