Skapar parallelldatorer med nanoteknikens hjälp

Forskare från Lunds universitet har med hjälp av nanoteknik skapat en biologisk dator som kan lösa vissa matematiska problem mycket snabbare och mer energisnålt än vanliga elektriska datorer. Resultaten från forskningen kommer senare i veckan att publiceras i den anrika publikationen Proceedings of the National Academy of Sciences.

Vanliga datorer har bidragit till stora samhälleliga framsteg under de senaste årtiondena men har en svaghet: de kan bara göra en sak i taget. Ju fler räkneoperationer ett problem kräver, desto längre tid tar beräkningarna att genomföra. Detta innebär att elektroniska datorer inte är effektiva när det gäller kombinatoriska problem, till exempel inom kryptografi och optimeringslära, som kräver att datorn testar ett stort antal olika lösningar.

Nanoteknikforskarna från Lund är dock en lösning på spåret. De har visat att en parallelldator som tar hjälp av molekylmotorer snabbt och energisnålt kan hitta alla korrekta lösningar till ett kombinatoriskt problem.

I en parallelldator sker flera beräkningar samtidigt istället för sekventiellt, vilket teoretiskt sett gör dem oerhört snabba på att lösa kombinatoriska problem. Begränsningen har hittills varit skalbarhet och praktisk implementering.

Molekylmotorer är stora molekyler som utför mekaniska uppgifter i levande celler. Ett exempel är myosin som finns i våra muskelceller. Utanför cellen kan myosin användas för att flytta proteintrådar, av aktin, längs med konstgjorda vägbanor som används för att styra trådarnas rörelse. 

– Enkelt förklarat så bygger man en labyrint av nanobaserade kanaler som har särskilda trafikregler för proteintrådarna. Lösningen på labyrinten motsvarar svaret på en matematisk frågeställning, och många molekyler kan leta sig fram i labyrinten samtidigt, säger Heiner Linke, föreståndare för NanoLund och den som samordnat den aktuella studien.

De biologiska datorerna använder en strategi som liknar så kallade kvantdatorers. Medan kvantfysiken använder kvantbitar – ettor och nollor – använder biodatorerna molekyler som arbetar parallellt.

– Det faktum att molekyler är väldigt billiga och att vi nu har visat att biodatorns beräkningar fungerar gör att jag tror att biodatorer har förutsättningar för att användas praktiskt inom tio år. Visst kan kvantdatorer på längre sikt bli mer slagkraftiga, men det finns stora problem med att få dem att fungera rent praktiskt, säger Heiner Linke.

– Ytterligare en stor fördel är att molekylmotorerna är mycket energisnåla. En biodator behöver mindre än en 100-del så mycket energi än en elektronisk transistor för att genomföra ett räknesteg, tillägger han.

I den aktuella studien visades lösningen på ett välkänt kombinatoriskt problem, ”Subset Sum Problem”. Tiden det tar att testa alla lösningar för ett större problem kan vara drastiskt mycket kortare för en parallelldator än för en sekventiell dator. (Matematiskt förklarat: N^2 jämfört med 2^N, där N är själva storleken på problemet).

Forskningen vid Lunds universitet har utförts i samarbete med Linnéuniversitet samt med forskare från Kanada, Storbritannien, Tyskland, Nederländerna. Studiens fullständiga namn på engelska är ”Parallel computing with molecular motor-propelled agents in nanofabricated networks”.

För mer information, kontakta Heiner Linke vid Lunds universitet, tel: 046-2224245 eller 070-4140245. E-post: heiner.linke@ftf.lth.se

Taggar: