DNA 计算机如何工作

DNA 计算机尚未在您当地的电子产品商店中出现。这项技术仍在开发中，甚至在十年前都还没有这个概念。1994 年，伦纳德·阿德尔曼（Leonard Adleman）提出了利用 DNA 解决复杂数学问题的想法。阿德尔曼是南加州大学的一位计算机科学家，在阅读了詹姆斯·沃森（James Watson）撰写的《基因的分子生物学》（Molecular Biology of the Gene）一书后，他得出结论认为 DNA 具有计算潜力。詹姆斯·沃森曾于 1953 年共同发现了 DNA 的结构。事实上，DNA 在存储基因永久信息的方式上与计算机硬盘非常相似。

阿德尔曼常被称为 DNA 计算机的发明者。他在 1994 年出版的《科学》杂志上发表的一篇文章概述了如何利用 DNA 解决一个著名的数学问题，即有向哈密顿路径问题，也称为“旅行推销员”问题。该问题的目标是在多个城市之间找到最短的路线，每个城市只经过一次。随着您添加到问题中的城市增多，问题变得更加困难。阿德尔曼选择找到七个城市之间的最短路径。

您可能可以在纸上画出这个问题，并比阿德尔曼使用他的 DNA 试管计算机更快地找到解决方案。以下是阿德尔曼 DNA 计算机实验中采取的步骤：

阿德尔曼 DNA 计算机的成功证明了 DNA 可以用于计算复杂的数学问题。然而，这种早期的 DNA 计算机在速度方面远未能挑战基于硅的计算机。阿德尔曼 DNA 计算机非常迅速地创建了一组可能的答案，但阿德尔曼花了几天时间才缩小可能性。他的 DNA 计算机的另一个缺点是它需要人工协助。DNA 计算领域的目标是创建一个可以独立于人类参与工作的设备。

在阿德尔曼的实验三年后，罗彻斯特大学的研究人员开发出了由 DNA 制成的逻辑门。逻辑门是您的计算机执行您命令的功能的 VITAL 部分。这些门将流经计算机的二进制代码转换为一系列信号，计算机利用这些信号执行操作。目前，逻辑门解释来自硅晶体管的输入信号，并将这些信号转换为输出信号，从而使计算机能够执行复杂的功能。

罗彻斯特团队的 DNA 逻辑门是朝着创建一个结构类似于电子个人电脑的计算机迈出的第一步。这些 DNA 逻辑门不使用电信号执行逻辑操作，而是依赖于 DNA 代码。它们检测遗传物质的片段作为输入，将这些片段拼接在一起并形成一个单一的输出。例如，一个名为“与门”（And gate）的基因门通过化学结合的方式连接两个 DNA 输入，使它们锁定在端到端的结构中，类似于两个乐高积木可以通过第三个乐高积木连接起来。研究人员认为，这些逻辑门可以与 DNA 微芯片结合，从而在 DNA 计算领域取得突破。

DNA 计算机组件——逻辑门和生物芯片——需要数年时间才能发展成为一台实用且可操作的 DNA 计算机。如果这样的计算机最终建成，科学家们表示它将比传统计算机更紧凑、更精确、更高效。在下一节中，我们将探讨 DNA 计算机如何超越其基于硅的前辈，以及这些计算机将执行哪些任务。

硅微处理器作为计算世界的核心已有 40 多年。在此期间，制造商们将越来越多的电子设备集成到他们的微处理器上。根据摩尔定律，微处理器上放置的电子设备数量每 18 个月翻一番。摩尔定律以英特尔创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）的名字命名，他曾在 1965 年预测微处理器的复杂性将每两年翻一番。许多人预测摩尔定律将很快走到尽头，因为硅微处理器在物理速度和小型化方面存在局限性。

DNA 计算机有潜力将计算提升到新的水平，接续摩尔定律的终点。使用 DNA 而非硅有以下几个优势：

DNA 的主要优势在于它将使计算机比以往任何计算机都更小，同时存储更多数据。一磅 DNA 的信息存储能力超过所有已建造的电子计算机的总和；而一个泪滴大小的 DNA 计算机，如果使用 DNA 逻辑门，其计算能力将超过世界上最强大的超级计算机。超过 10 万亿个 DNA 分子可以容纳在不超过 1 立方厘米（0.06 立方英寸）的区域内。用这么少量的 DNA，一台计算机将能够存储 10 太字节的数据，并同时执行 10 万亿次计算。通过添加更多 DNA，可以执行更多的计算。

与传统计算机不同，DNA 计算机可以并行执行计算。传统计算机是线性操作的，一次只处理一项任务。正是并行计算使得 DNA 能够在数小时内解决复杂的数学问题，而电气计算机可能需要数百年才能完成它们。

第一批 DNA 计算机不太可能具备文字处理、电子邮件和纸牌游戏程序。相反，它们强大的计算能力将被各国政府用于破解秘密代码，或者被航空公司用于规划更高效的航线。研究 DNA 计算机也可能帮助我们更好地理解一个更复杂的计算机——人脑。