Учёные из Университета Мейнута разработали ДНК-компьютер, выполняющий сложение, деление, умножение и другие операции через самосборку молекул. Система работает без проводов и постоянного электропитания, используя короткие цепочки ДНК в качестве вычислительных элементов. Правильный ответ становится наиболее устойчивым состоянием молекулярной конструкции.

Главное отличие заключается в способе вычисления. Обычный процессор постоянно тратит энергию на переключение транзисторов. Этот молекулярный компьютер спроектирован так, чтобы самостоятельно двигаться к нужному результату по мере взаимодействия молекул. Исследование принято к публикации в Nature.

В основе системы лежит Scaffolded DNA Computer (SDC). Учёные помещают в солевой раствор одну длинную цепочку ДНК, выполняющую роль каркаса, и набор специально спроектированных коротких цепочек. Последовательности молекул кодируют входные данные, правила программы и возможные состояния. После короткого нагрева раствор охлаждается, молекулы связываются друг с другом и формируют структуру, соответствующую ответу.

В ДНК-вычислениях вместо транзисторов и электрических сигналов работают химические взаимодействия. Информация кодируется комбинациями нуклеотидов A, C, G и T, а спаривание цепочек позволяет программировать молекулярные логические операции.

Авторы испытали десять программ: умножение на три, деление на два, проверку чётности битовой последовательности и сложение двоичных чисел. В одном из экспериментов система складывала числа длиной до 25 бит. Простые операции выполнялись меньше чем за минуту, сложные конструкции приходили к результату несколько часов. Вычисление 10 + 3 завершилось примерно за 30 секунд.

Сравнивать скорость с кремниевым процессором бессмысленно — даже дешёвый микроконтроллер выполнит такую операцию несравнимо быстрее. Цель иная: создать вычислительную среду, где огромное количество молекул одновременно обрабатывает информацию в микроскопическом объёме и почти не требует энергии во время самого процесса.

Фраза «компьютер без электричества» требует уточнения. Для подготовки реакции нужен нагрев, результат эксперимента считывает лабораторное оборудование. Система не требует непрерывной подачи внешней энергии для каждого логического шага, но полностью без затрат энергии не обходится.

Ещё одно отличие — повторное использование. Многие молекулярные схемы работают одноразово: после реакции исходные компоненты меняются, следующий запуск требует новой подготовки. Команда Мейнута провела до 25 последовательных вычислений в одной системе без заметного ухудшения результата.

Разработчики называют подход термодинамически благоприятным. Программа задаёт конечную конфигурацию, которая энергетически выгоднее неправильных вариантов. По мере охлаждения молекулы соединяются, разъединяются и исправляют неудачные комбинации, пока система не приблизится к устойчивому состоянию. Это снижает зависимость от сложных механизмов коррекции ошибок и точного контроля каждого этапа.

ДНК интересует инженеров и как среда для хранения данных. Молекулы способны хранить огромные объёмы информации в микроскопических количествах вещества. Современные эксперименты демонстрируют плотность в десятки эксабайт на грамм, хотя дорогой синтез и медленное считывание пока не позволяют конкурировать с SSD. Недавние методы кодирования довели расчётную плотность до 41 эксабайта на грамм.

Команда Мейнута хочет объединить хранение и вычисления в одной молекулярной системе. Проект получил €4 млн от European Innovation Council. Исследователи рассчитывают создать ДНК-хранилище, которое сможет не только держать данные, но и выполнять операции непосредственно над записанной информацией.

Энергетический аргумент особенно заметен на фоне роста дата-центров. В Ирландии серверные площадки в 2025 году потребили 23% всей электроэнергии страны против 5% в 2015 году. ДНК-компьютеры в обозримом будущем не заменят процессоры в ноутбуках, но молекулярные вычисления могут найти применение в сверхплотных архивах, автономных химических системах, биосенсорах и обработке информации внутри биологической среды.

До универсального ДНК-компьютера остаётся далеко. Система работает с небольшими задачами, требует заранее синтезированных молекул и лабораторной инфраструктуры, сложность подготовки растёт вместе с размером программы. Новый эксперимент показывает фундаментальное: вычисление необязательно должно выглядеть как поток электронов через миллиарды транзисторов. Иногда достаточно правильно запрограммировать молекулы и позволить физике самой найти ответ.