Molekularny komputer

Wprowadzenie technologii półprzewodnikowej i wynalazek układu scalonego zaowocowały po czterech dekadach burzliwego rozwoju urządzeniami, których sercem jest płytka krzemu o rozmiarach paznokcia. Komputery stały się bardzo szybkie, niezawodne, powszechnie dostępne i tanie. Obecnie produkowane układy scalone bardzo dużej skali integracji (VLSI - Very Large Scale Integration) umożliwiają upakowanie 50 tys. tranzystorów w 1 mm Odstępy między poszczególnymi elementami wynoszą 1-2 mikrony (10⁶ m). Osiągane czasy przełączania, określające szybkość pracy, są rzędu kilkunastu nano-sekund (10⁹ s). Oczekuje się, że ulepszone technologie wytwarzania i nowe materiały pozwolą rui zwiększenie gęstości upakowania do 0.1 mikrona.
Jesh w dążeniu do dalszej miniaturyzacji schodzimy poniżej tej granicy, to wkraczamy w obszar rządzony mechaniką kwantową. Elektryczność, znana nam ze szkoły, jako kolektywny fenomen, przestaje być wystarczającym opisem zjawisk na tym poziomie - musimy uwzględnić efekty kwantowe dotyczące pojedynczych elektronów.

MOLEKULARNA BRAMKA TYPU NAND Zejście do skali submikronowej. czyli do rozmiarów rzędu nanometrow (10⁹ m), sprowadza się praktycznie do manipulowania cząsteczkami związków chemicznych. Obecność elektronów, wędrujących między poszczególnymi atomami molekuły zmienia istotnie jej fundamentalne własności fizyczne, w szczególności przewodnictwo elektryczne lub pochłanianie światła o określonej długości fali.
Zjawiska te wykorzystywane są przy tworzeniu prototypowych urządzeń elektroniki molekularnej (MED - Molecular Electronic Devices). Na rysunku 1 przedstawiono działający model bramki logicznej typu NAND skonstruowanej w oparciu o cząsteczkę światłoczułego pigmentu występującego w siatkówce oka ludzkiego. Molekuła tego związku chemicznego ma rozmiar 4 nm i kształtem swym przypomina małe widełki o dwóch odnogach i jednej szyjce. Każda z odnóg, składająca się z trzech części (obszar donora, bariera i obszar akceptora), jest wejściem bramki. Wyjściem tego układu jest szyjka.
Impulsy światła laserowego, o określonej długości fali zmieniają własności cząsteczki. Do właściwego działania modelu konieczne jest zastosowanie trzech laserów. Dwa z nich oświetlają wejścia bramki, natomiast trzeci laser oświetla wyjście.
W stanie podstawowym, gdy żadne z wejść nie jest oświetlone (logiczne zera), swobodne elektrony każdego z donorów znajdują się w obszarze akceptorów w pobliżu wyjścia bramki. Światło przechodzące przez tę część molekuły nie ulega absorbcji (logiczna jedynka na wyjściu). Oświetlenie obu odnóg wejściowych (logiczne jedynki) powoduje, że oba elektrony wędrują w obszar donorów zmieniając własności absorbcyjne szyjki wyjściowej. W tym niestabilnym stanie przejściowym wyjście pochłania światło laserowe o określonej długości. Sytuacja ta odpowiada logicznemu zeru na wyjściu bramki.
Na rysunku 2 przedstawiono sprzężenie prototypowego urządzenia elektroniki molekularnej ze światem zewnętrznym. Urządzenie to, posiadające 4 wejścia i 4 wyjścia, jest oświetlane ośmioma laserami o różnych długościach tali. Przechodzące światło, po dekompozycji w pryzmacie, jest analizowane pr2ez rząd światłoczułych diod, z których każda reaguje na inny kolor (długość fali). Ponieważ padający promień światła ma większy rozmiar niż same cząsteczki, lokalizacja właściwej bramki i sygnatu do niej przyłożonego jest określona nie przestrzennie. ale przez odrębne własności absorbcyjne rożnych fragmentów molekuł.

INŻYNIERIA GENETYCZNA
Każda funkcja logiczna, np dodawanie dwóch liczb, może byc zrealizowana jako kombinacja wielu bramek typu NAND. Bawiąc się klockami LEGO możemy skonstruować dowolną budowlę posługując się kilkoma rodzajami podstawowych elementów. Podobnie projektowany jest procesor komputera, tylko że w tym przypadku jedynym "klockiem" może byc właśnie bramka NAND. Z przedstawionego opisu widać, że fundamentalnym problemem przy konstrukcji komputera molekularnego jest połączenie poszczególnych bramek ze sobą. Zagadnienie to nie zostało rozwiązane dotychczas w sposób zadawalający. Trudno wyobrazić sobie, że każdy element będziemy łączyć poprzez kilka laserów i diod światłoczułych.
Z pomocą może nam przyjść inżynieria genetyczna. Genetycy są ludźmi, którzy od wielu lat budują nowe cząsteczki chemiczne, manipulując pojedynczymi atomami. Bardzo ciekawie wygląda propozycja wykorzystania do produkcji układów komputera molekularnego mechanizmu realizowanego przez rybosomy odczytujące informację genetyczną, na podstawie której komórki syntetyzują niezbędne białka. Jeśli pomysł ten zostanie urzeczywistniony, to potrzebne elementy komputera będą same powstawały w probówce zawierającej odpowiedni roztwór.

PERSPEKTYWY
Zbudowanie komputera molekularnego jest jeszcze kwestią czasu. Większość prowadzonych prac to badania podstawowe, którymi zajmują się czołowe laboratoria naukowe na świecie. Musimy poczekać 10-15 lat nim na rynku pojawią się handlowe produkty tej technologii. Komputery tej generacji będą 10 tysięcy razy szybsze od najszybszego obecnie komputera typu Cray, a zastosowane układy będą charakteryzowały się gęstością upakowania o 5 rzędów lepszą w stosunku do współczesnych elementów półprzewodnikowych. Złożone symulacje modeli fizycznych, rozpoznawanie mowy i obrazów w czasie rzeczywistym, przetwarzanie grafiki i rozumienie języków naturalnych, to te dziedziny, które najbardziej skorzystają z zalet komputera molekularnego.

na podst. art. M.A. Clarksona, "Byte", 5.89 r.