Molekulare Computer Ahmt Menschliches Gehirn Nach

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Ein computer, der nur zwei moleküle dick ist, kann komplexe probleme lösen.

Ein Computer, der nur zwei Moleküle dick ist, kann komplexe Probleme lösen und kann sich ähnlich wie das menschliche Gehirn entwickeln, um viele Operationen gleichzeitig zu verbessern und auszuführen.

Dieser molekulare Prozessor kann sich auch heilen, wenn ein Defekt vorliegt, fügten die Forscher hinzu.

Moderne Computer arbeiten mit erstaunlichen Geschwindigkeiten und können mehr als 10 Billionen Anweisungen pro Sekunde ausführen. In der Regel führen sie jedoch eine Operation nacheinander aus.

Gehirnzellen oder Neuronen feuern "nur" 1.000 Mal pro Sekunde oder so, aber die Tatsache, dass Millionen von ihnen gleichzeitig parallel arbeiten, bedeutet, dass sie Aufgaben effizienter erledigen können als der schnellste Supercomputer.

Die Verbindungen zwischen den Neuronen entwickeln sich ebenfalls mit der Zeit und werden immer stärker oder schwächer, da das Gehirn die beste Lösung zur Lösung von Problemen darstellt. Auf diese Weise können solche Netzwerke mit der Zeit lernen.

Ein molekularer Computer

Nun hat ein internationales Forschungsteam aus Japan und den Vereinigten Staaten einen Computer mit nur zwei Molekülen Dicke geschaffen, der diese Merkmale des menschlichen Gehirns bis zu einem gewissen Grad replizieren kann.

Der Baustein dieses Computers ist eine organische Verbindung, die als 2,3-Dichlor-5,6-dicyano-p-benzochinon oder kurz DDQ bekannt ist. Dieses Molekül kann grundsätzlich zwischen vier verschiedenen elektrisch leitfähigen Zuständen wechseln - denken Sie an einen Ring mit vier Speichen.

Die Wissenschaftler legten DDQ-Moleküle auf einer Goldoberfläche ab, die sich dann spontan zu zwei Schichten zusammenfanden, die jeweils aus einem sechseckigen Molekülgitter bestehen.

Als nächstes verwendeten die Forscher die elektrisch geladene Spitze eines Rastertunnelmikroskops, um die Moleküle in der oberen Schicht einzeln in einen gewünschten Zustand zu versetzen und Daten im Wesentlichen in das System zu schreiben. (Ein Rastertunnelmikroskop funktioniert ähnlich wie die Finger einer blinden Person beim Braille-Schreiben - bewegen sich über eine Oberfläche, um mikroskopische Beulen und Täler zu erkennen.)

Jedes Molekül könnte über seine elektrischen Felder drahtlos mit seinen Nachbarn interagieren. Diese Moleküle tauschten ständig Informationen in Form von Elektronen untereinander aus, was manchmal dazu führte, dass Moleküle um sie herum Zustände wechselten. Dies ähnelt der Tatsache, dass durch die durch die Drähte fließende Elektrizität Transistoren in Mikrochips hin und her schalten, um Daten als Einsen oder Nullen zu codieren.

Das Ergebnis waren Muster wie Linien, Dreiecke, Sechsecke und Rauten, bei denen jedes Molekül in einem bestimmten Zustand ist.

Massiv parallel

Insgesamt interagieren mindestens 300 Moleküle im System wie ein massiv paralleler Computer, wobei sich jeder Zustand ändert, wenn Daten in das System geschrieben werden. Die Muster oder "zellulären Automaten", die sich zwischen den Molekülen ergeben, funktionieren ähnlich wie Schaltkreise auf Chips, um den Stromfluss zu lenken. Der Unterschied ist, dass sich in diesem System die Muster mit der Zeit entwickeln können, wenn neue Daten eingegeben werden.

Wie das Gehirn, aber im Gegensatz zu anderen bereits existierenden künstlichen Computern, kann dieses neue System sich selbst heilen, da sich die Moleküle, aus denen der Computer besteht, automatisch neu organisieren können.

"Dies ist Gehirn-ähnliches Computing", sagte der Forscher Ranjit Pati, Physiker an der Michigan Technological University.

Um die Energie des molekularen Computers zu untersuchen, simulierten die Forscher erfolgreich zwei natürliche Phänomene: Die Art und Weise, wie Wärme durch ein Material diffundiert, und die Art und Weise, wie Krebs im Körper wächst.

Im Prinzip könnte dieser neue Computer auch als Mittel zur Lösung von Problemen dienen, die für herkömmliche Computer zu schwer zu lösen sind, "hartnäckige Probleme, die nicht innerhalb einer begrenzten Zeit zu lösen sind", erklärte der leitende Forscher Anirban Bandyopadhyay, Physiker bei den Japanern Nationales Institut für Materialwissenschaft in Tsukuba.

Dazu könnte das Verhalten von Systemen mit vielen interagierenden Körpern vorhergesagt werden - vom Krankheitsausbruch bis zur Entwicklung von Galaxien, sagte der Pati von Michigan.

Eine wichtige Schwachstelle des Systems ist die Abhängigkeit von der Rastertunnelmikroskopie, einem langsamen Prozess. In Zukunft könnte es möglich sein, mehrere Spitzen gleichzeitig zu verwenden, um viele Moleküle gleichzeitig zu scannen, schlug Pati vor.

Da diese Moleküle sich zu Gittern zusammenfügen, ist das Skalieren auf ein größeres System kein Problem. Das nächste Ziel des Teams ist ein Computer mit 1.000 molekularen Switches.

"Die Arbeit ist im Gange", sagte Bandyopadhyay.

Zukünftige Forschung könnte auch Moleküle einsetzen, die für mehr als vier Zustände eingesetzt werden können, für noch komplexere Systeme, fügte Pati hinzu.

Die Wissenschaftler detaillierten ihre Ergebnisse am 25. April online in der Zeitschrift Naturphysik.

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