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雷納德·阿德勒曼

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美國南加州大學教授雷納德·阿德勒曼(L.Adleman)博士因其1994年在《科學》雜誌上發表一篇題為《組合問題的生物電腦解決方案》的論文,首次提出分子計算機,即用DNA分子構建電腦的設想,被人們稱作「DNA電腦與生物電腦之父」。

1DNA電腦與生物電腦之父

作為一位理論數學家,阿德勒曼教授的研究課題十分廣泛,他曾與別人合作發明了用於通信的RSA加密碼,RSA中的「A」就是他姓名的首字母;此外,他的研究觸角也涉及到了艾滋病和生物學領域。

2DNA(脫氧核糖核酸)

DNA(脫氧核糖核酸)是生物基因的物質實體,攜帶著生命信息的密碼。過去大多數科學家都認為,以DNA分子而非電荷形式來處理數據,不過是一種有趣的理論化概念,在幾十年之內將不會得到實際的驗證。然而,阿德勒曼偏偏做成了這種不可能的「晶元」。以目前的情況,叫它「晶元」或許有點牽強,因為它不再是固體,而是由裝滿有機液體的微型試管組成,承擔計算任務的DNA分子就溶在液體之中。

3DNA生物電腦

更令電腦界驚訝的是,阿德勒曼竟然利用他發明的DNA生物電腦,解決了一個實際的數學難題。這個題目是這樣的:「由14條單行道連接著7座城市,請找出走過上述全部城市的最近路途,而且不能走回頭路。」 學數學的人都知道,這是一個經典的數學問題,又叫「推銷員問題」(它的正式的名稱叫「漢密爾頓路徑問題」),該問題的敘述是這樣的:「如果一個推銷員要在許多個城市推銷,每個城市必須而且只能經過一次,如何找到最短的路程?」經典數學中並沒有公式可以回答,惟一的解決辦法是找到所有可能的路程加以比較,選出最短的一種。然而,即使僅有四個城市,推銷員也已面臨著12種選擇,當然比較所有的路線仍有可能,但隨著城市數目的增加,路徑將呈現指數增長,窮盡所有的路徑變得越來越不可能。

4基本工作原理

阿德勒曼教授設法驅使試管中的DNA分子來完成計算,他用DNA單鏈代表每座城市及城市之間的道路,並順序編碼。這樣一來,每條道路「粘性的兩端」就會根據DNA組合的化學規則,與兩座正確的城市相連。然後,他在試管中把這些DNA鏈的幾十億個副本混合起來,讓它們以無數種可能的組合連接在一起。其基本工作原理是:單條DNA以預定的方式和與之對應的DNA相配接。通過7天時間的系列生化反應,DNA電腦自動找出了解決問題的唯一答案,即只經過每座城市一次且順序最短的DNA分子鏈。這就是說,用生物學方法模擬的邏輯運算,用一個星期時間完成了電腦幾年才能完成的工作,表明了用DNA技術處理高難度數學問題的巨大潛力。

5實驗表明

阿德勒曼的成功實驗表明,DNA生物電腦已經不是什麼科學幻想,它不但打破了傳統意義上的計算機概念,而且有助於揭示生命的本質。阿德勒曼發表的那篇報告,不僅使他成為「生物電腦之父」,而且促使了世界各地至少12個實驗室開始這方面的研究工作。現在,許多科學家都把DNA計算技術看作是可以用來替代傳統電子技術的主要候選者。
例如,美國新澤西州貝爾實驗室的研究者,正在改進阿德勒曼的第一台DNA電腦。該實驗室的物理學家艾倫·米爾斯說:「我們所做的不再是連接線路,而是將大量的DNA裝入罐子,加進鹽和酶,然後加以培養,於是不同的 DNA分子就開始互相尋找配對。」 米爾斯的目標是製造一台神經網路計算機,基本構造與人的大腦相仿,不像傳統計算機那樣採用數字輸入,而是一種類比輸入。麥迪遜威斯康星大學的研究小組卻採取了不同於阿德勒曼的試管辦法,他們把DNA鏈固定到一塊鍍金的玻璃載片上,使之真正成為DNA晶元。在經過數年的研究之後,該研究小組製造出了幾台DNA晶元計算機,每台都由大約100萬億個由人工合成的DNA鏈狀結構組成。英國利物浦大學的馬丁·科莫斯等科學家則希望把DNA計算技術送回到活細胞中,在轉基因細胞內部模擬計算機邏輯電路,打算在細菌細胞中實現生物「開關」元件。

6DNA生物電腦優點

DNA生物電腦的最大優點,還在於它驚人的存貯容量和運算速度。納米技術家認為,DNA具有在極小空間里存儲海量信息的自然特性,遺傳密碼符號的間距僅有0.34納米,1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億比特數據;1立方厘米DNA溶液將超過1萬億片CD光碟的存儲容量。具有生命特徵的這種電腦,運算次數甚至可以達到每秒10的20次方或更高,消耗的能量卻微不足道,只有普通電腦的十億分之一。據說,十幾個小時的DNA計算,就相當於人類社會所有電腦問世以來的運算總量。中國國家智能計算機研究開發中心主任、主持研製「曙光」超級電腦的李國傑院士提出,生物計算機要成為一種通用計算機,必須先建立與圖林機類似的計算模型。現在DNA電腦最大的問題是很難檢測計算結果,一旦這個問題得到解決,DNA生物電腦(晶元)將很快進入實用階段。

7世界上第一台可編程DNA電腦

據報道,2001年11月,以色列科學家已經成功研製出世界上第一台可編程DNA電腦,這種電腦即使有一萬億「台」,其體積也不超過一滴水的大小。然而,如何真正替代硅晶元成為普遍使用的DNA微處理器,科學界仍然面臨著許多挑戰。DNA鏈的并行處理能力非常適合解決類似「推銷員問題」,但隨著問題複雜程度的增加,DNA數量也將呈幾何級數上升。如果推銷員要走遍200個城市,生物電腦所需要DNA分子的總量甚至會超過地球的重量。因而,有些專家更傾向於一種「雜交」電腦,讓硅晶元和DNA晶元共同承擔計算任務。
阿德勒曼教授曾經說道:「我並不期待構建一台像PC機那樣的DNA電腦,但是,生物電腦可以做用其他技術所不能完成的工作。」他預言說,到2002年DNA電腦就可以解決有20個變數的數學問題。DNA電腦將採用其本身的「語言」,以四進位系統來編碼,與「人工生命」的研究範疇將融合在一起。對此,阿德勒曼認為,今後的工程技術人員應該接受更加廣泛的科學教育,使自己成為「通才」,全面掌握數學、物理、化學、生物學和計算機科學知識,才能做出更多的發明和創新。
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