الحاسوب الكيميائي

الحاسوب الكيميائي ، ويُسمى أيضاً حاسوب التفاعل والانتشار ، أو حاسوب بيلوسوف-جابوتينسكي ( BZ ) ، أو حاسوب البرمجيات اللزجة ، هو حاسوب غير تقليدي يعتمد على "حساء" كيميائي شبه صلب، حيث تُمثل البيانات بتراكيز متفاوتة من المواد الكيميائية. ^{[ 1 ]} وتُجرى العمليات الحسابية بواسطة تفاعلات كيميائية تحدث في الطبيعة .

في الأصل، كان يُنظر إلى التفاعلات الكيميائية على أنها مجرد حركة بسيطة نحو حالة اتزان مستقرة، وهو ما لم يكن واعدًا جدًا من الناحية الحسابية. تغير هذا المفهوم باكتشاف العالم السوفيتي بوريس بيلوسوف في خمسينيات القرن العشرين. فقد ابتكر تفاعلًا كيميائيًا بين أملاح وأحماض مختلفة، يتأرجح لونه بين الأصفر والشفاف، نتيجة لتغير تركيز المكونات المختلفة بشكل دوري. في ذلك الوقت، اعتُبر هذا مستحيلًا لأنه بدا مخالفًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، الذي ينص على أن الإنتروبيا في نظام مغلق تزداد بمرور الوقت، مما يؤدي إلى توزيع مكونات الخليط حتى الوصول إلى حالة الاتزان، ويجعل أي تغيير في التركيز مستحيلًا. لكن التحليلات النظرية الحديثة تُظهر أن التفاعلات المعقدة بما يكفي يمكن أن تتضمن ظواهر موجية دون الإخلال بقوانين الطبيعة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} (وقد قدم أناتول جابوتينسكي برهانًا مرئيًا مباشرًا ومقنعًا من خلال تفاعل بيلوسوف-جابوتينسكي الذي أظهر موجات ملونة حلزونية).

تُمكّن الخصائص الموجية لتفاعل بيلوسوف-جابوتينسكي من نقل المعلومات بنفس طريقة جميع الموجات الأخرى. ومع ذلك، يبقى الحساب ضروريًا، والذي تُجريه الرقائق الإلكترونية التقليدية باستخدام الشفرة الثنائية لنقل وتغيير الأصفار والآحاد عبر نظام معقد من البوابات المنطقية . ولإجراء أي عملية حسابية ممكنة، يكفي وجود بوابات NAND . (تحتوي بوابة NAND على مدخلين، ويكون خرجها صفرًا إذا كان كلا البتين يساوي واحدًا، وإلا فيكون واحدًا). ​​في نسخة الحاسوب الكيميائي، تُنفَّذ البوابات المنطقية بواسطة موجات تركيز تحجب أو تُضخِّم بعضها البعض بطرق مختلفة.

في عام ١٩٨٩، تم إثبات كيفية استخدام التفاعلات الكيميائية الحساسة للضوء في معالجة الصور . ^{[ ٣ ]} وقد أدى ذلك إلى طفرة في مجال الحوسبة الكيميائية. وقد برهن أندرو أداماتزكي، من جامعة غرب إنجلترا، على بوابات منطقية بسيطة باستخدام عمليات التفاعل والانتشار . ^{[ ٤ ]} علاوة على ذلك، فقد أوضح نظريًا كيف يمكن لوسط افتراضي مكون من "٢+ ^" ، مصمم على شكل أوتوماتا خلوية، إجراء عمليات حسابية. ^{[ ٥ ]} استلهم أداماتزكي فكرته من مقال نظري حول الحوسبة باستخدام كرات على طاولة بلياردو، لنقل هذا المبدأ إلى المواد الكيميائية من نوع BZ واستبدال كرات البلياردو بالأمواج: فإذا التقت موجتان في المحلول، فإنهما تُنشئان موجة ثالثة تُسجل كـ ١.

إحدى مشكلات النسخة الحالية من هذه التقنية هي سرعة الموجات؛ إذ لا تنتشر إلا بمعدل بضعة ملليمترات في الدقيقة. ووفقًا لأداماتزكي، يمكن التغلب على هذه المشكلة بوضع البوابات على مقربة شديدة من بعضها لضمان نقل الإشارات بسرعة. وثمة احتمال آخر يتمثل في تفاعلات كيميائية جديدة تنتشر فيها الموجات بسرعة أكبر بكثير.

في عام 2014، طوّر فريق دولي بقيادة المختبرات الفيدرالية السويسرية لعلوم وتكنولوجيا المواد (إمبا) نظامًا للحوسبة الكيميائية. استخدم هذا النظام حسابات التوتر السطحي المستمدة من تأثير مارانغوني باستخدام هلام حمضي لإيجاد المسار الأمثل بين النقطتين أ و ب، متفوقًا بذلك على نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية التقليدي الذي حاول حساب المسار نفسه. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

في عام 2015، ابتكر طلاب الدراسات العليا بجامعة ستانفورد جهاز كمبيوتر باستخدام المجالات المغناطيسية وقطرات الماء المشبعة بجزيئات نانوية مغناطيسية ، مما يوضح بعض المبادئ الأساسية وراء الكمبيوتر الكيميائي. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

في عام 2015، ابتكر طلاب جامعة واشنطن لغة برمجة للتفاعلات الكيميائية (طُوّرت في الأصل لتحليل الحمض النووي ). ^{[ 10 ] [ 11 ]}

في عام ٢٠١٧، حصل باحثون في جامعة هارفارد على براءة اختراع لآلة تورينج كيميائية تعمل باستخدام الديناميكيات غير الخطية لتفاعل بيلوسوف-جابوتينسكي . ^{[ ١٢ ]} النظام الذي طوروه قادر على التعرف على لغة تشومسكي من النوع الأول باستخدام حسابات طاقة جيبس ​​الحرة . نُشر هذا العمل لاحقًا في عام ٢٠١٩، متضمنًا أنظمة للغات تشومسكي من النوع الثاني والثالث. ^{[ ١٣ ]}

في عام 2020، ابتكر باحثون من جامعة غلاسكو حاسوبًا كيميائيًا باستخدام أجزاء مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ومحركات مغناطيسية للتحكم في تذبذبات وسط بيلوسوف-جابوتينسكي. وبذلك، تمكنوا من حساب البوابات المنطقية الثنائية، وإجراء التعرف على الأنماط. ^{[ 14 ]}

• بوابة منطقية جزيئية
• حاسوب
• الحوسبة الكمومية
• الحوسبة باستخدام الحمض النووي
• الحوسبة الحيوية
• الحوسبة العضوية
• الموائع
• مُكامل المياه
• تاريخ أجهزة الحوسبة
• أفضل 500
• الكيمياء الحيوية
• ديناميكا الموائع

• "تقديم حاسوب غلوبر" - مقال في مجلة نيو ساينتست بقلم دنكان غراهام-رو (وصول محدود)