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分子计算机已经问世，纳米计算机指日可待？

世界上最小的计算机只有17个分子

2008.07.14来自：新华网

17个四甲基对苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯二苯 日本国家材料科学研究所的安尼尔班·班德亚帕德耶博士描述了四甲基对苯酚：它看起来像一辆汽车。他通常在特殊的电子显微镜下研究这种有机物分子。在镜头下，汽车由六角形苯环组成，与四个锥形碳氢化合物车轮相连，整个分子直径小于1纳米，比可见光波长小数百倍。 班德亚帕德耶希望用17个这样的分子拼凑出一台电脑。 在日本筑波的实验室里，班德亚帕德耶每天都在重复这样的工作：让这17辆汽车在黄金基板制成的训练场上安排成一个团队，这一步必须在 -196℃在真空环境中进行。他在中央放置了一个四甲基对苯二酚分子作为控制部门，其他16个分子被它排成一圈。装置完成后，由17个分子组成的车队可以在室温下正常工作。 然后，班德亚帕德耶用一个非常锋利的带电传导来调节放置在中间的汽车的电脉冲。由于中心的汽车与周围16辆汽车的物理相关性较弱，中心的汽车被电脉冲调节，其他16辆汽车也被启动。整个装置像一面蜘蛛网，位于中心的蜘蛛一旦移动，16根蜘蛛丝也会产生不同程度的颤动，这种颤动随着不同强度的电脉冲变化，形成不同的“信息”。 这些电脉冲的变化将被用作计算机操作的逻辑基础。目前，家庭中常用的晶体管计算机只能利用电脉冲的打开和关闭，形成操作所需的两种逻辑状态：0和 一、俗称二进制。班德亚帕德耶的分子晶体管有四个碳氢锥体结构，本质上有四个不同的方向，从而有四个逻辑状态:0、1、2、3。“ 最亮的是3，0是最暗的。”班德亚帕德耶指着电脑屏幕上的图像上讲解道。理论上，一个电脉冲信号可以得到416个不同的结果，即近43亿个结果。目前，纳米计算机的运行速度是普通晶体管计算机的16倍。如果该分子装置从二维16分子环结构扩展到三维1024分子球结构，则可同时执行1024个指令，比普通计算机快1024倍。” 班德亚·帕德耶承认，这种设计的灵感来自于人脑细胞，它呈树状放射性分支形状，每个分支都可以用来与其他分支细胞交流。人脑比任何超级计算机都复杂，平行分支运算法是关键。班德亚帕德耶自信地说：我们的研究使处理器在发出指令时必须同时影响其他处理器。这是什么意思？这意味着每个分子都能独立思考和交流，这将是人类创造的第一个纳米大脑。” 班德亚帕德耶不止一次听到人工智能专家抱怨说，计算机的运算速度跟不上纳米领域涉及天气预测、微生物基因扫描和大量微分子数据处理。 爱尔兰数学家威廉·哈米尔顿在19世纪提出了这样一个问题：每次只有一个城市，连接所有城市的最短路径是什么？许多数学家试图用计算机来回答这个问题，但他们很快发现，如果有100个城市，即使是最快的超级计算机也需要数亿年的时间。 每个人都想开发一台具有更强计算能力的电子计算机。计算机的速度取决于芯片上集成晶体管的数量。但随着芯片上线路密度的增加，其复杂性和错误率也将呈指数级增长。一旦芯片上线的宽度达到纳米数量级，材料的物理化学性能就会发生质的变化，导致使用现有工艺的半导体设备无法正常工作。 这国迈特纳米技术专家詹姆斯·埃伦博根教授坚信，班德亚帕德耶博士的成就具有重要意义：一旦我们掌握了不超过盐粒的计算机制造技术，我们将从根本上处于一种新的局面。自然界中有各种各样的分子。到目前为止，直接利用自然界中的分子来制造计算机是突破计算机操作极限的唯一途径。” “人工智能专家们已开始认识到，如果要制造和人脑一样复杂的电脑，模仿生物学是他们的最佳选择。”美国马萨诸塞州库日韦尔技术公司的雷?库日韦尔说：因此，计算机公司和大学研究人员都忙于学习生物学速成课程。2003年，以色列魏兹曼研究所耶胡达·夏皮罗教授在试管中开发了具有数学计算功能的分子计算机，只有一滴水滴，但包含了大量的设备。它使用酶作为硬件DNA作为一种软件，分子含有1万亿个活细胞，每秒计算10亿次，精度高达99.8%。然而，夏皮罗的同事伊塔玛尔·魏兹曼强调，研究的主要目的不是突出分子计算机的运行速度：我们希望分子计算机能够实现生物监测设备的作用。例如，植入人体可以监测患者药物的使用和生理反应。” 班德亚帕德耶对分子计算机在医学领域的应用非常感兴趣：想象一下，组装这些分子仪器并植入血液可能会破坏人体内的癌细胞。2008年4月，加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员在这方面领先了一步制造了分子装置，可以储存、输送抗癌药物，并在光的作用下释放药物攻击癌细胞。该装置由中孔硅纳米颗粒制成，其内部细孔涂有化学偶氮苯，抗癌药物可装载在这个细孔中。由于偶氮苯具有光变色特性，在光的作用下有两种振动形式。研究人员首先让上述装置在黑暗中进入玻璃器皿中的人类癌细胞，然后用光振动放分子器皿孔中的抗癌药物攻击癌细胞。 该操作装置有一个时尚的名字：纳米机器人。班德亚帕德耶有一个更有趣的想法：建造一台纳米计算机，然后将主机与发动机、推进器、转换装置、电梯、传感器等分子组成，有机地结合成一个整体。他开始寻找一种方法来连接分子计算机的其他设备，它可以连接到8个混合设备，就像一个微型工厂一样工作。我还想把它变成纳米机器人，具有记忆和行动能力。” 南巴黎大学分子光物理实验室的迪雅尔丹教授认为，这一想法需要满足苛刻的条件：首先，在化学领域创建纳米级单分子机械机构，然后找到准确控制单分子的方法，第三种是开发可传输信息的机器人"大脑"装置。” 第一个条件逐渐成为现实：2007年，由法国图卢兹材料设计与结构研究中心和德国柏林大学科学家组装的纳米机分子轮由两个直径组成.由7纳米的三苯甲基分子车轮组成。研究人员使用扫描探针显微镜(SPM)驱动车轮旋转的电子探针。 位于电子探针SPM在终端上，科学家操纵它轻轻接触样品表面，就像操纵游戏机杠杆一样。根据探针和样品表面的排斥变化，通过光学或电流原理进行放大和分析，确定样品表面的形状信息和探针的位置，放大其活动数亿倍，然后显示在计算机屏幕上。SPM探针是电性的，所以人们通常用它来控制镜头下的单分子，1989年，IBM公司操纵35个氙原子，在镍金属表面拼出IBM开启纳米微操作的三个字母。 班德亚帕德耶同样采用了这种方法，但它并非理想的首选。SPM探针显然比他的分子汽车大得多，用来操纵他的汽车，就像在现实世界中用树枝拨弄小蚂蚁的每一条腿一样困难。班德亚帕德耶希望将来能用分子代替带电传导针来控制微纳米计算机。这样，第二和第三个条件就可以满足。 虽然总的来说，似乎不可能在短时间内制造出科幻小说中的高智能纳米机器人，但迪雅尔丹教授的话代表了纳米科学家的乐观：在纳米机器人出现之前，人们总是认为开发它们是不可思议的。事实上，如果你仔细想想，不可思议的不是研究本身，而是人类自。

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