Máy tính chạy bằng DNA có khả năng tính toán không cần điện

Một nhóm các nhà khoa học vừa chế tạo thành công một chiếc máy tính chạy bằng DNA, có khả năng thực hiện các phép tính phức tạp chỉ bằng một giọt nước nhỏ chứa hàng tỷ phân tử. Hệ thống này tận dụng các định luật vật lý để hoạt động theo cách hoàn toàn khác biệt so với các máy tính điện tử thông thường.

Máy tính DNA được thiết kế để tìm ra trạng thái “có lợi về mặt năng lượng”, từ đó cho ra kết quả chính xác mà không cần sử dụng năng lượng liên tục để thực hiện từng bước tính toán. Theo giáo sư Damien Woods, đồng tác giả nghiên cứu từ Đại học Maynooth, Ireland, quá trình tính toán diễn ra thông qua sự cạnh tranh giữa các phân tử DNA, trong đó phân tử chiến thắng sẽ liên kết thành công với khung đỡ, mã hóa câu trả lời cho phép tính.

Hệ thống này, được gọi là Máy tính DNA có khung (Scaffolded DNA Computer - SDC), đã được công bố trong một nghiên cứu trên tạp chí Nature vào ngày 16/9. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm SDC trên 10 chương trình khác nhau, bao gồm các phép tính 100 bit. Một phép tính đơn giản như 10 + 3 chỉ mất khoảng 30 giây để hoàn thành.

Mặc dù hiện tại vẫn chỉ là giả thuyết, nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy SDC có tiềm năng ứng dụng trong lưu trữ dữ liệu phân tử, tính toán tiết kiệm năng lượng, và thậm chí là phát triển các thiết bị hoạt động bên trong tế bào sống. “Máy tính phân tử này không nhằm thay thế máy tính điện tử, nhưng có thể được ứng dụng trong môi trường sinh học và lưu trữ dữ liệu DNA”, Abeer Eshra, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

SDC được tạo ra từ các đoạn DNA ngắn tương tác với một khung DNA dài hơn, được đặt trong nước muối, trải qua quá trình đun nóng và làm nguội. Khi các chuỗi DNA tương tác, chúng lắp ráp thành các cấu trúc theo quy tắc đã được lập trình, từ đó thực hiện phép tính. “Mỗi chương trình tương ứng với một tập hợp các chuỗi DNA, và để lập trình một phép tính khác, chúng tôi chỉ cần chọn các chuỗi khác nhau”, Woods và Eshra cho biết.

Mặc dù máy tính DNA rất nhỏ, nhưng số lượng chuỗi DNA tham gia vào quá trình tính toán lại rất lớn. Một giọt chất lỏng nhỏ có thể chứa hàng tỷ sợi DNA, tương tác với nhau để tạo ra kết quả. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng của SDC qua hơn 700 phép tính, từ phép cộng đơn giản đến các phép toán phức tạp hơn.

Mặc dù tốc độ tính toán của SDC chậm hơn so với máy tính silicon, nhưng nó có khả năng tái sử dụng cao, cho phép các phân tử được sử dụng nhiều lần. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc lặp lại thí nghiệm sau 1,5 năm, chứng minh tính khả thi của hệ thống.

Dù vậy, các nhà khoa học nhấn mạnh rằng vẫn còn nhiều lý thuyết cần được nghiên cứu thêm. Họ đang hướng tới việc cải thiện khả năng đọc dữ liệu và thiết kế các khung đỡ phù hợp hơn cho việc tính toán trong tương lai.