技術極大地影響了科學的發展。 賈涅克布羅斯 / 蓋蒂圖片社

　　即使在您閱讀本文時，計算機芯片制造商也在瘋狂地競相制造下一個 微處理器 這將推翻速度記錄。不過，這場競爭遲早會碰壁。由硅制成的微處理器最終將達到其速度和小型化的極限。芯片制造商需要一種新材料來產生更快的計算速度。

　　你不會相信科學家在哪里找到了構建下一代微處理器所需的新材料。數以百萬計的自然超級計算機存在于生物體內，包括你的身體。DNA(脫氧核糖核酸)分子，即構成我們基因的材料，有可能比世界上最強大的人造計算機快很多倍。有朝一日，DNA可能會被整合到計算機芯片中，創造出一種所謂的生物芯片，將推動計算機更快。DNA分子已經被利用來執行復雜的數學問題。

　　雖然他們還處于襁褓之中， 脫氧核糖核酸計算機 將能夠存儲比您的個人計算機多數十億倍的數據。在本文中，您將了解科學家如何使用遺傳物質來創建納米計算機，這些計算機可能在未來十年內取代硅基計算機。

　　DNA計算技術

　　DNA計算機在您當地的電子產品商店還找不到。這項技術仍在開發中，十年前甚至還沒有作為一個概念存在。1994年，倫納德·阿德曼(Leonard Adleman)提出了使用DNA解決復雜數學問題的想法。阿德勒曼，計算機科學家 南加州大學，在閱讀了詹姆斯·沃森(James Watson)撰寫的《基因的分子生物學》(Molecular Biology of the Gene)一書后得出結論，DNA具有計算潛力，詹姆斯·沃森(James Watson)于1953年共同發現了DNA的結構。事實上，DNA與計算機非常相似。 硬盤 它如何存儲有關您的基因的永久信息。

　　阿德曼通常被稱為DNA計算機的發明者。他在1994年出版的雜志上發表的文章 科學 概述了如何使用DNA來解決一個眾所周知的數學問題，稱為 定向漢密爾頓路徑問題，又稱“旅行推銷員”問題。問題的目標是找到多個城市之間的最短路線，每個城市只經過一次。隨著您向問題中添加更多城市，問題變得更加困難。阿德曼選擇在七個城市之間尋找最短的路線。

　　你可能會把這個問題寫在紙上，并比阿德曼使用他的DNA試管計算機更快地找到解決方案。以下是Adleman DNA計算機實驗中采取的步驟：

　　DNA鏈代表七個城市。在基因中，遺傳編碼由字母A，T，C和G表示。這四個字母的某些序列代表了每個城市和可能的飛行路徑。

　　然后將這些分子混合在試管中，其中一些DNA鏈粘在一起。這些鏈條代表了一個可能的答案。

　　在幾秒鐘內，代表答案的所有可能的DNA鏈組合都在試管中創建。

　　阿德曼通過化學反應消除了錯誤的分子，只留下了連接所有七個城市的飛行路徑。

　　AdlemanDNA計算機的成功證明了DNA可以用來計算復雜的數學問題。然而，這種早期的DNA計算機遠未挑戰硅基計算機。 速度.Adleman的DNA計算機很快就創造了一組可能的答案，但Adleman花了幾天時間才縮小了可能性的范圍。他的DNA計算機的另一個缺點是它需要 人工協助.DNA計算領域的目標是創建一個可以獨立于人類參與工作的設備。

　　在阿德勒曼的實驗三年后，研究人員在 羅切斯特大學 發達 邏輯門 由DNA制成。邏輯門是計算機如何執行您命令它執行的功能的重要組成部分。這些門將通過計算機移動的二進制代碼轉換為計算機用于執行操作的一系列信號。目前，邏輯門解釋來自 硅晶體管，并將這些信號轉換為允許計算機執行復雜功能的輸出信號。

　　羅切斯特團隊的DNA邏輯門是創建具有類似于電子設備結構的計算機的第一步。 個人電腦.這些DNA邏輯門不是使用電信號來執行邏輯操作，而是依賴于DNA代碼。他們檢測碎片 遺傳物質 作為輸入，將這些片段拼接在一起并形成單個輸出。例如，一個 基因門 稱為“和門”通過化學結合將兩個DNA輸入連接起來，使它們被鎖定在一個端到端的結構中，類似于兩個樂高積木可能被第三個樂高固定的方式。研究人員認為，這些邏輯門可能與DNA微芯片相結合，在DNA計算方面取得突破。

　　DNA計算機組件 -- 邏輯門 和 生物芯片 - 需要數年時間才能發展成實用的，可行的DNA計算機。科學家說，如果這樣的計算機建成，它將比傳統計算機更緊湊、更準確、更高效。在下一節中，我們將研究DNA計算機如何超越其硅基前輩，以及這些計算機將執行哪些任務。

　　超越硅?

　　盡管DNA計算機尚未超越硅基微處理器，但研究人員在使用遺傳密碼進行計算方面取得了一些進展。2003年，以色列科學家展示了一臺有限但功能正常的DNA計算機。您可以在以下位置閱讀更多相關信息 國家地理.

　　硅與DNA微處理器

　　40 多年來，硅微處理器一直是計算世界的核心。在那段時間里，制造商將越來越多的電子設備塞進了他們的微處理器上。根據 摩爾定律，安裝在微處理器上的電子設備數量每 18 個月翻一番。摩爾定律以英特爾創始人戈登·摩爾的名字命名，他在1965年預測微處理器的復雜性每兩年翻一番。許多人預測摩爾定律很快就會走到盡頭，因為硅微處理器的物理速度和小型化限制。

　　DNA計算機有可能將計算提升到新的水平，從摩爾定律開始。使用DNA代替硅有幾個優點：

　　只要有細胞生物，總會有 供應 的脫氧核糖核酸。

　　DNA的大量供應使其成為 便宜 資源。

　　與用于制造傳統微處理器的有毒材料不同，DNA生物芯片可以制造。 干凈.

　　DNA計算機是很多次 較小 比今天的計算機。

　　DNA的主要優勢在于，它將使計算機比之前的任何計算機都小，同時保存更多的數據。一磅DNA能夠存儲比有史以來所有電子計算機更多的信息;使用DNA邏輯門的淚滴大小的DNA計算機的計算能力將比世界上最強大的超級計算機更強大。超過10萬億個DNA分子可以放入不超過1立方厘米(0.06立方英寸)的區域。有了這少量的DNA，一臺計算機將能夠容納10 太字節 數據，并一次執行 10 萬億次計算。通過添加更多的DNA，可以進行更多的計算。

　　與傳統計算機不同，DNA計算機執行計算 平行 到其他計算。傳統計算機是線性運行的，一次承擔一項任務。正是并行計算使DNA能夠在數小時內解決復雜的數學問題，而電子計算機可能需要數百年才能完成它們。

　　第一臺DNA計算機不太可能具有文字處理功能， 電子郵件 和紙牌程序。相反，它們強大的計算能力將被各國政府用于破解密碼，或者 航空公司 想要繪制更高效的路線。研究DNA計算機也可能使我們更好地了解更復雜的計算機 - 人腦。

　　常見問題

　　誰發明了DNA計算?

　　DNA計算是由美國南加州大學計算機科學和分子生物學教授倫納德·阿德勒曼(Leonard Adleman)于1994年發明的。