未来的计算机

未来的计算机，用DNA 、黏菌和其他奇怪玩意儿试

一试

Calo 2013-04-08 11:07 未来的计算机可能由神经和化学试剂组成，也可能用黏菌和光线构筑。不切实际？是有那么一点，但计算机只是一种处理信息的工具，最初的计算机就是人本身。科学家正在用可用的一切运算原则去构思新的计算方式。

绒泡菌芯片，由黏菌构建并操作的发散式生物态计算设备。图片来源：Adamatzky et al./International Journal of General Systems

（文／BRANDON KEIM）说起计算机，我们都知道它是用金属、塑料和芯片做成的神奇机器，能将电流转变为数字现实。再过一个世纪，计算机将和现在完全不同。未来的计算机可能由神经和化学试剂组成，也可能用细菌菌落和光线构筑——它们将令我们这些带着21世纪过时观念的人类相见不相识。

不切实际？是有那么一点。但计算机也不过一种处理信息的工具罢了，无需拘泥于特定的材

料形式。毕竟，最初的计算机就是人本身。很多还健在的人都见证过电子管被指甲盖大小的晶体管取代的伟大过程。

在下文中，我们将见识一些非常“非主流”的计算机。

黏菌懂计算

“非传统计算的动人之处在于能够将风马牛不相及的事物联系起来。”西英格兰大学非传统计算中心主任安迪·阿达马特兹基（Andy Adamatzky）说。他曾利用通电液晶、化学黏液和碰撞粒子构建计算机，但他最享有盛名的工作是利用一种低等黏菌——绒泡菌所做的研究（见上图）。

黏菌这种长得像变形虫的生物生活在败枝腐叶之中。在生命的不同阶段，他们可能是单细胞生物，也有可能数以百万计地融合起来，成为蛞蝓一样的一坨原生质团。原生质团的形式在黏菌觅食时展现出来。在觅食过程中，黏菌展现出惊人的航行技艺和解决几何问题的能力。 黏菌尤其善于为复杂的网络问题寻找解决途径，例如为西班牙的高速公路或东京的铁路系统做有效率的设计。阿达马特兹基和同事的计划走得更远，他们在项目描述中写道：他们的“绒泡菌芯片”将成为“由黏菌构建并操作的发散式生物态计算设备”。

“具有生命力的原生质管道网络会像一个活跃的非线性信息传感器那样运作，而覆盖有导线的管道模板则起到快速信息通道的作用。”研究者这样描述：“和杂交芯片中的传统电子元件结合在一起，绒泡菌网络将从根本上提高数字电路和模拟电路的性能。”

黏液有神力

视频来源: Jeff Jones and Andrew Adamatzky

被黏菌解决问题的能力启发，阿达马特兹基和西英格兰大学的同事杰夫·琼斯（Jeff Jones）将黏菌的行为规则编成了关于化学吸力计算模型。就像俄罗斯的“套娃”一样，将黏菌的行为看作一种体现化学吸引的程序，并将这种程序翻译成计算机程序。

这篇文章3月25日发表在arXiv 网站上。文中，琼斯和阿达马特兹基通过刺激化学黏液解决了一个极具迷惑性与挑战性的经典数学问题——寻找连接多点的最短距离。当点数很少时问

题并不复杂，但点数多时就非常棘手了——不过对黏菌来说并非如此。

液晶运算好

图片来源: Adamatzky et al./arXiv

复杂流体是一类能够在两种相态之间灵活转换的材料。数十年来，研究这些奇怪材料的科学家一直对不同温度和压力下液晶展现的离奇几何形态倾心不已。这些几何形态是信息的具体化，是结晶的相互作用，也是计算的一种形式。通过对液晶薄片通电，阿达马特兹基带领的研究人员能完成基本的数学和逻辑运算过程。

DNA 插一脚

加利福尼亚理工学院的合成生物学家埃里克·温弗里（Eric Winfree）的研究成果，图中显示一串经过编程的DNA 用A 、C 、T 、G 四种碱基在进行合成。

合成生物学家的成就总令人难以企及。这些人似乎每周都能宣布一些新方法，将生命的基石变成细胞计算机的零件。然而即使在这人才济济的领域，斯坦福大学研究者的成果仍旧非常突出：上星期，他们宣布开发出 一种基于蛋白质的晶体管。

这种被称为“转录器”的晶体管负责控制逻辑操作，是将细胞改造成计算机的三大组件的最后一件——其他两件，可擦写存储器和信息传动装置已经被开发出来了。最近这项研究负责人，合成生物学家德鲁·安迪（Drew Endy ）构思利用植物构建环境监视器、制作经过编程的组织乃至医疗设备，安迪说：“电影《神奇旅程》中的场景将可能成为现实。”

斯坦福大学的研究者设计的细胞门电路，它们通过所处的信息状态让细胞呈现红色或者绿色。图片来源: Bonnet et al./Science

进化做设计

大多数分子计算机都是以人类对计算机的概念为蓝本设计的。但正如荷兰特温特大学的应用数学家哈乔·布罗尔斯玛（Hajo Broersma ）所说：“最简单的生命系统又有着让所有人工技术相形见绌的复杂精细度”——它们甚至还不是被设计出来的，是进化造就了它们。

在“起源计划”（NAnoSCale Engineering for Novel Computation using Evolution ，NASCENCE ）中，布罗尔斯玛和同事计划利用进化的能力，把分子的组合及它们的自然性质运用在出人意料的而且强大得难以置信的领域。他们希望构建一个系统，能通过纳米级的粒子网络与数字计算机进行交流，并利用计算机设置目标算法，利用进化将这些粒子引向目标。

“我们希望为对传统方法和计算模型而言非常棘手的问题提供别的解决方法。”他们写道。其中一个设想是将计算机芯片设置成分子结构中常见的几何形态，例如这里展示的大肠杆菌核糖体RNA 。布罗尔斯玛的团队认为这项设想的成功实现可能“为下一次工业革命打下基础”。

设计成大肠杆菌核糖体RNA 形态的计算机芯片。图片来源：Center for Molecular Biology of RNA /University of California, Santa Cruz

粒子碰撞机

利用LHC 进行超环面仪器（ATLAS ）实验时质子的碰撞。来源：CERN

欧洲大型强子对撞机（LHC ）长达17英里（大约27公里多）的身形使它成为全球最大的粒子加速器。它有没有可能也是全球最大的计算机呢？

短期内还不是，不过想想还至少是可能的。阿达马特兹基的另一项追求被他称为“基于碰撞的计算”，也就是是经计算建模的粒子快速通过数码回旋加速器，利用粒子间的相互作用进行运算。“数据和结果就好像划过空中的皮球一样。” 阿达马特兹基说。

受刺激的粒子碰撞随时间的发展变化。图片来源：Martinez et al./A Computable Universe

量子计算机

用逻辑电路控制光子。图片来源：Kim et al./Nature Photonics

量子纠缠是一种量子力学现象，描述的是两个相聚非常遥远的粒子仍然通过时空相互联系，一个粒子的改变立刻会影响到另一个。诸如此类的量子力量令人毛骨悚然，但利用这些力量构建计算机的想法却已有些年头了。虽然量子计算机要面世还早得很，相关成果却在不断累积：利用更多粒子展现，纠缠现象已达到肉眼可见的程度。这种现象被用于控制机械物质。 最近的成果被发表在3月31日的《自然-光子学》杂志上。马里兰大学的物理学家伊度·瓦克斯和同事成功用逻辑电路控制光子。这些逻辑电路由量子点或者受激光和磁力控制的半导体晶体构建而成。研究者写道，这些成果“代表了向固态量子网络迈出的重要一步”。

冻结光线

图片来源：Schematic of controlled light. (Anne Goodsell/Harvard University)

如果利用纠缠的光子运行计算机还言之过早的话，这里还有一种以光作为基础的计算方式——非量子的。当温度低到只比绝对零度高一点时，超低温的原子云可能能够拖慢并控制光。利用这种现象也许能制造光学计算机芯片。

量子大脑

图片来源：Sea slug neuron. (Dylan Burnette/Olympus Bioscapes)

人们总是很容易地将思维联想成计算机。在这个意义上说，大脑就是信息处理系统。然而，它们还比任何工程设备都复杂并精密得多。

即使量子计算现在仍是个遥不可及的梦想，一些科学家思考意识背后的量子物理学。这个问题还尚未解决，不过研究者在一系列非人类的细胞中观察到了量子过程，这为量子在意识中的作用提出了扣人心弦的可能。

“人类意识中有量子运算过程，不过仅仅发生在潜意识水平，”帕多瓦大学的理论物理学家帕奥拉·孜孜（Paola Zizzi）说道：“由于量子运算比经典的运算过程快得多，潜意识的思考也比有意识的思考要快得多，前者为后者„做了准备‟。”

一旦量子思考过程在我们的大脑中被鉴别出来，也许会启发我们设计出现在无法想象的计算机。“概括地说，这是许多非传统计算机构的前进动力。”《可计算的宇宙：将自然当成运算去理解和探索》（A Computable Universe: Understanding and Exploring Nature as Computation ）的编者，瑞典卡罗琳斯卡大学的计算机科学家赫克托·詹尼尔（Hector Zenil）这样说。

詹尼尔并不相信大脑里的量子运算那一套，但他眼中的世界的确布满了信息化过程。他说，像他和孜孜那样的研究人员正在竭尽所能地“运用大自然可能使用的一切运算原则去构思新型计算方式”。

宇宙也是计算机？

图片来源：The Milky Way galaxy /NASA/ESA/Q.D. Wang/Jet Propulsion Laboratory/S. Stolovy

在《可计算的宇宙》一书中，詹尼尔和其他其他人把运算看作一个抽象的过程。任何具有存储和信息处理能力的系统都能在逻辑的限度内进行运算。他们认为，计算机并不仅仅可以用化学物质或细胞或光线制造。宇宙本身可能就是一台计算机，处理由我们日常的经历、以及其他一切事物组成的信息。

这是个棘手的构思——如果宇宙是运算的，谁是运算者？出于明显的理由，要验证这个构思非常困难。不过，詹尼尔认为不无可能。在他关于存在的算法研究中，他开发了量度数据分布的方法，可能被用于检验现实是否运算的结果。

这个命题成立的话，生命在线性机械排序的作用就到头了。如果这就已经是个骇人听闻的设想，那么接下来这个肯定也是——预订的机械过程并不支配“宇宙计算机”。存在物的某些方面肯定是不可判定的，也就是不可能通过算法或预测作事先描述。在这个计算机里，鬼魂也依然是存活的。