Massaal parallelle computer opgebouwd uit een enkele laag moleculen

Moderne computerchips verwerken gegevens met een verbluffende snelheid van zo'n 10^13 bits per seconde. Neuronen schieten daarentegen met een snelheid van ongeveer 100 keer per seconde of zo. En toch presteren de hersenen bij tal van taken beter dan de beste computers.

Een reden hiervoor is de manier waarop berekeningen plaatsvinden. In computers vinden berekeningen één voor één plaats in strikte pijplijnen.

In de hersenen vinden echter veel berekeningen tegelijk plaats. Elk neuron communiceert op elk moment met maximaal 1000 andere neuronen. En aangezien de hersenen uit miljarden neuronen bestaan, is het potentieel voor parallelle berekeningen duidelijk enorm.

Computerwetenschappers zijn zich terdege bewust van dit verschil en hebben op veel manieren geprobeerd de enorm parallelle mogelijkheden van de hersenen na te bootsen. Maar succes was moeilijk te verkrijgen.

Vandaag onthult Anirban Bandyopadhyay van het National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan, een veelbelovende nieuwe aanpak. De kern van hun experiment is een ringachtig molecuul dat 2,3-dichloor-5,6-dicyano-p-benzoquinon of DDQ wordt genoemd.

Dit heeft een ongebruikelijke eigenschap: het kan in vier verschillende geleidende toestanden voorkomen, afhankelijk van de locatie van opgesloten elektronen rond de ring. Bovendien is het mogelijk om het molecuul van de ene naar de andere toestand te schakelen door het te zappen met spanningen van verschillende sterktes met behulp van de punt van een scanning tunneling microscoop. Het is zelfs mogelijk om de mogelijke toestanden die zich kunnen vormen te beïnvloeden door het molecuul in een elektrisch veld te plaatsen

Plaats twee DDQ-moleculen naast elkaar en het is mogelijk om ze met elkaar te laten verbinden. In feite kan een enkel DDQ-molecuul verbinding maken met 2 tot 6 buren, afhankelijk van zijn geleidende toestand en die van hen. Wanneer een molecuul van toestand verandert, rimpelt de verandering in configuratie van het ene molecuul naar het andere, en vormt en hervormt het circuits terwijl het reist.

Gezien dit alles is het niet moeilijk voor te stellen hoe een laag DDQ-moleculen kan werken als een cellulaire automaat, met elk molecuul als een cel in de automaat. Grofweg worden de regels voor het omslaan van cellen van de ene toestand naar de andere bepaald door de vooringenomenheid van de moleculen en de starttoestand wordt geprogrammeerd door de scanning tunneling microscoop.

En dat is precies wat deze jongens hebben gedaan. Ze hebben 300 DDQ-moleculen op een gouden substraat gelegd, waardoor ze een cellulaire automaat zijn geworden. Nog indrukwekkender is dat ze het systeem vervolgens hebben geïnitialiseerd, zodat het berekent hoe warmte zich verspreidt in een geleidend medium en hoe kanker zich door weefsel verspreidt.

En aangezien de hele laag bij de berekening betrokken is, is dit een enorm parallelle berekening met een enkele laag organische moleculen.

Bandyopadhyay en co zeggen dat het belangrijkste kenmerk van dit type berekening het feit is dat één DDQ-molecuul kan worden gekoppeld aan vele andere, ongeveer zoals neuronen in de hersenen. Veralgemening van dit principe zou... een nieuw uitzicht op opkomend computergebruik openen met behulp van een verzameling moleculen, zeggen ze.

Duidelijk een intrigerend vooruitzicht.

Referentie: arxiv.org/abs/1110.5844 : Massaal parallelle berekeningen en een organische moleculaire laag

zich verstoppen