DNK kao budućnost kvantnog računarstva: Revolucionarna tehnika otvara vrata za novu eru

Naučnici su otkrili da DNK može imati ključnu ulogu u razvoju kvantnog računarstva zahvaljujući sposobnosti manipulacije nuklearnim spinovima azota električnim poljem. Ova tehnika bi mogla omogućiti skladištenje i obradu podataka na molekularnom nivou, otvarajući vrata za novu eru računarskih sistema zasnovanih na biološkim molekulima, prenosi SciTech Daily.

Tradicionalni računari oslanjaju se na silicijumske tranzistore za obradu podataka, dok kvantni računari koriste kvantne bitove (kubite) koji mogu postojati u više stanja istovremeno zahvaljujući superpoziciji. Dosadašnja istraživanja su se uglavnom fokusirala na kubite izrađene od superprovodničkih materijala, jona ili fotona, ali najnovije otkriće sugeriše da bi DNK mogla postati nova platforma za kvantno računarstvo.

Preporučujemo

Istraživači sa Pekinškog univerziteta demonstrirali su da je moguće kontrolisati nuklearne spinove azota u DNK pomoću gradijenata električnog polja, koristeći tehniku poznatu kao nuklearna električna rezonanca (NER). Ovim pristupom, DNK bi mogla postati ne samo biološki nosač informacija već i kvantni procesor sposoban za složene proračune.

- Naše istraživanje je otkrilo obrasce pravaca glavnih osa gradijenta električnog polja na atomima azota u molekulima DNK, pokazujući da su ti pravci usko povezani sa vrstama baza i trodimenzionalnom strukturom DNK - navode autori studije.

Drugim rečima, nuklearni spinovi azota ne samo da nose genetske informacije već i podatke o strukturi same DNK, što ih čini pogodnim za računarske operacije.

DNK se sastoji od četiri nukleotidne baze – adenina (A), guanina (G), citozina (C) i timina (T). Azotni atomi u ovim bazama igraju ključnu ulogu u formiranju molekula, a njihova orijentacija u odnosu na električno polje utiče na njihovo kvantno ponašanje.

Azotni atomi vezani za tri druga atoma imaju glavnu osu električnog polja uvek upravnu na ravni baze. Azotni atomi vezani za dva druga atoma mogu imati različite orijentacije u zavisnosti od vrste baze i azota, glavna osa električnog polja može biti poravnata sa bisektorom veze ili blizu upravne pozicije.

Ove varijacije su posebno značajne kod različitih nukleotida. U adeninu i guaninu, uglovi defleksije nuklearnih spinova dosledno prate strukturalne uglove baza. U citozinu i timinu, orijentacije azotnih spinova su nepredvidljive, bez fiksnih pravila za njihovu distribuciju.

DNK već poseduje neverovatnu sposobnost skladištenja informacija. Naučnici su demonstrirali da se u samo jednom gramu DNK može sačuvati 215 petabajta podataka, što je ekvivalentno celokupnom internetu! Ako se DNK može koristiti i za računske operacije, to bi značilo revoluciju u razvoju ultra-kompaktnih kvantnih računara.

Da bi istražili ove fenomene, naučnici su koristili simulacije molekulske dinamike, što je metoda koja omogućava praćenje kretanja atoma u molekulu kroz vreme. Eksperimenti su uključivali modelovanje DNK u rastvoru sa jonima kako bi se očuvala električna neutralnost, rigorozne simulacije ekvilibracije kako bi se osiguralo da molekul ostane stabilan tokom analize, kvantnohemijske proračune fokusirane na pozicije azotnih atoma u nukleotidima i analizu komponenti električnog polja kako bi se odredili pravci glavnih osa i vrednosti gradijenata električnog polja.

Koristeći ove podatke, istraživači su uporedili uglove defleksije između susednih homogene baza i analizirali kako se azotni nuklearni spinovi ponašaju pod uticajem električnog polja.

Za DNK da postane računarski sistem, potrebna je ne samo sposobnost skladištenja podataka već i mogućnost obrade informacija. Naučnici sugerišu da bi protonski spinovi, koji su složeniji i varijabilniji od azotnih, mogli igrati ključnu ulogu u procesiranju informacija.

- Interakcija između azotnih i protonskih spinova mogla bi omogućiti formiranje kvantnog računarskog sistema zasnovanog na DNK - navode istraživači.

Ako bi se ove interakcije mogle precizno kontrolisati, DNK bi mogla poslužiti kao procesorski sistem sposoban za kvantne proračune.

Današnji kvantni računari su izuzetno osetljivi na spoljašnje smetnje i zahtevaju ekstremno niske temperature (-273°C) da bi funkcionisali. DNK, s druge strane, funkcioniše u biološkim uslovima, što znači da bi DNK kvantni računar mogao raditi na sobnoj temperaturi, bez potrebe za složenim rashladnim sistemima.

Ova studija nadovezuje se na ranije istraživanje istih autora koje je pokazalo da se nuklearni spinovi natrijumovih jona na fosfolipidnim membranama mogu kontrolisati pomoću električnih polja. Nova istraživanja produbljuju razumevanje odnosa između gradijenata električnog polja, orijentacija azotnih spinova i strukture DNK baza, otvarajući put ka inovativnim pristupima u dizajnu kvantnih računara i obradi genetskih informacija.

Ipak, postoji nekoliko ključnih izazova koje naučnici moraju rešiti pre nego što DNK postane praktična platforma za kvantno računarstvo, kao što su precizna kontrola spinova u stvarnim biološkim sistemima, razumevanje dugoročnog stabilnog ponašanja DNK kubita i integracija DNK računarskih sistema sa postojećim kvantnim tehnologijama.

Ako se ovi izazovi prevaziđu, DNK bi mogla postati najkompaktniji, najefikasniji i najprilagodljiviji kvantni računar koji svet poznaje.

Kvantno računarstvo se već sada smatra revolucionarnom tehnologijom, ali mogućnost korišćenja DNK u ovom kontekstu otvara potpuno nove horizonte. Ako DNK može istovremeno služiti kao skladište i procesor kvantnih informacija, onda bi budućnost računarstva mogla biti ne samo kvantna – već i biološka.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)