未來計(jì)算機(jī)：DNA、黏菌和其他奇怪玩意兒

說起計(jì)算機(jī)，我們都知道它是用金屬、塑料和芯片做成的神奇機(jī)器，能將電流轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字現(xiàn)實(shí)。再過一個(gè)世紀(jì)，計(jì)算機(jī)將和現(xiàn)在完全不同。未來的計(jì)算機(jī)可能由神經(jīng)和化學(xué)試劑組成，也可能用細(xì)菌菌落和光線構(gòu)筑——它們將令我們這些帶著21世紀(jì)過時(shí)觀念的人類相見不相識(shí)。

不切實(shí)際?是有那么一點(diǎn)。但計(jì)算機(jī)也不過一種處理信息的工具罷了，無需拘泥于特定的材料形式。畢竟，最初的計(jì)算機(jī)就是人本身。很多還健在的人都見證過電子管被指甲蓋大小的晶體管取代的偉大過程。

下面我們將見識(shí)一些非常“非主流”的計(jì)算機(jī)。

黏菌懂計(jì)算機(jī)

“非傳統(tǒng)計(jì)算的動(dòng)人之處在于能夠?qū)L(fēng)馬牛不相及的事物聯(lián)系起來。”西英格蘭大學(xué)非傳統(tǒng)計(jì)算中心主任安迪·阿達(dá)馬特茲基(Andy Adamatzky)說。他曾利用通電液晶、化學(xué)黏液和碰撞粒子構(gòu)建計(jì)算機(jī)，但他最享有盛名的工作是利用一種低等黏菌——絨泡菌所做的研究。

黏菌這種長(zhǎng)得像變形蟲的生物生活在敗枝腐葉之中。在生命的不同階段，他們可能是單細(xì)胞生物，也有可能數(shù)以百萬計(jì)地融合起來，成為蛞蝓一樣的一坨原生質(zhì)團(tuán)。原生質(zhì)團(tuán)的形式在黏菌覓食時(shí)展現(xiàn)出來。在覓食過程中，黏菌展現(xiàn)出驚人的航行技藝和解決幾何問題的能力。

黏菌尤其善于為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)問題尋找解決途徑，例如為西班牙的高速公路或東京的鐵路系統(tǒng)做有效率的設(shè)計(jì)。阿達(dá)馬特茲基和同事的計(jì)劃走得更遠(yuǎn)，他們?cè)陧?xiàng)目描述中寫道：他們的“絨泡菌芯片”將成為“由黏菌構(gòu)建并操作的發(fā)散式生物態(tài)計(jì)算設(shè)備”。

“具有生命力的原生質(zhì)管道網(wǎng)絡(luò)會(huì)像一個(gè)活躍的非線性信息傳感器那樣運(yùn)作，而覆蓋有導(dǎo)線的管道模板則起到快速信息通道的作用。”研究者這樣描述，“和雜交芯片中的傳統(tǒng)電子元件結(jié)合在一起，絨泡菌網(wǎng)絡(luò)將從根本上提高數(shù)字電路和模擬電路的性能。”

絨泡菌芯片，由黏菌構(gòu)建并操作的發(fā)散式生物態(tài)計(jì)算設(shè)備

黏液有神力

被黏菌解決問題的能力啟發(fā)，阿達(dá)馬特茲基和西英格蘭大學(xué)的同事杰夫·瓊斯(Jeff Jones)將黏菌的行為規(guī)則編成了關(guān)于化學(xué)吸力計(jì)算模型。就像俄羅斯的“套娃”一樣，將黏菌的行為看作一種體現(xiàn)化學(xué)吸引的程序，并將這種程序翻譯成計(jì)算機(jī)程序。

這篇文章3月25日發(fā)表在arXiv網(wǎng)站上。文中，瓊斯和阿達(dá)馬特茲基通過刺激化學(xué)黏液解決了一個(gè)極具迷惑性與挑戰(zhàn)性的經(jīng)典數(shù)學(xué)問題——尋找連接多點(diǎn)的最短距離。當(dāng)點(diǎn)數(shù)很少時(shí)問題并不復(fù)雜，但點(diǎn)數(shù)多時(shí)就非常棘手了——不過對(duì)黏菌來說并非如此。

液晶運(yùn)算好

復(fù)雜流體是一類能夠在兩種相態(tài)之間靈活轉(zhuǎn)換的材料。數(shù)十年來，研究這些奇怪材料的科學(xué)家一直對(duì)不同溫度和壓力下液晶展現(xiàn)的離奇幾何形態(tài)傾心不已。這些幾何形態(tài)是信息的具體化，是結(jié)晶的相互作用，也是計(jì)算的一種形式。通過對(duì)液晶薄片通電，阿達(dá)馬特茲基帶領(lǐng)的研究人員能完成基本的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算過程。

DNA插一腳

加利福尼亞理工學(xué)院的合成生物學(xué)家埃里克·溫弗里(Eric Winfree)的研究成果，圖中顯示一串經(jīng)過編程的DNA用A、C、T、G四種堿基在進(jìn)行合成。

合成生物學(xué)家的成就總令人難以企及。這些人似乎每周都能宣布一些新方法，將生命的基石變成細(xì)胞計(jì)算機(jī)的零件。然而即使在這人才濟(jì)濟(jì)的領(lǐng)域，斯坦福大學(xué)研究者的成果仍舊非常突出：上星期，他們宣布開發(fā)出一種基于蛋白質(zhì)的晶體管。

這種被稱為“轉(zhuǎn)錄器”的晶體管負(fù)責(zé)控制邏輯操作，是將細(xì)胞改造成計(jì)算機(jī)的三大組件的最后一件——其他兩件，可擦寫存儲(chǔ)器和信息傳動(dòng)裝置已經(jīng)被開發(fā)出來了。最近這項(xiàng)研究負(fù)責(zé)人，合成生物學(xué)家德魯·安迪(Drew Endy)構(gòu)思利用植物構(gòu)建環(huán)境監(jiān)視器、制作經(jīng)過編程的組織乃至醫(yī)療設(shè)備。

安迪說：“電影《神奇旅程》中的場(chǎng)景將可能成為現(xiàn)實(shí)。”

斯坦福大學(xué)的研究者設(shè)計(jì)的細(xì)胞門電路，它們通過所處的信息狀態(tài)讓細(xì)胞呈現(xiàn)紅色或者綠色

進(jìn)化做設(shè)計(jì)

​大多數(shù)分子計(jì)算機(jī)都是以人類對(duì)計(jì)算機(jī)的概念為藍(lán)本設(shè)計(jì)的，但正如荷蘭特溫特大學(xué)的應(yīng)用數(shù)學(xué)家哈喬·布羅爾斯瑪(Hajo Broersma)所說：“最簡(jiǎn)單的生命系統(tǒng)又有著讓所有人工技術(shù)相形見絀的復(fù)雜精細(xì)度”——它們甚至還不是被設(shè)計(jì)出來的，是進(jìn)化造就了它們。

在“起源計(jì)劃”(NAnoSCale Engineering for Novel Computation using Evolution，NASCENCE)中，布羅爾斯瑪和同事計(jì)劃利用進(jìn)化的能力，把分子的組合及它們的自然性質(zhì)運(yùn)用在出人意料的而且強(qiáng)大得難以置信的領(lǐng)域。他們希望構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)，能通過納米級(jí)的粒子網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流，并利用計(jì)算機(jī)設(shè)置目標(biāo)算法，利用進(jìn)化將這些粒子引向目標(biāo)。

“我們希望為對(duì)傳統(tǒng)方法和計(jì)算模型而言非常棘手的問題提供別的解決方法。”他們寫道。其中一個(gè)設(shè)想是將計(jì)算機(jī)芯片設(shè)置成分子結(jié)構(gòu)中常見的幾何形態(tài)，例如這里展示的大腸桿菌核糖體RNA。布羅爾斯瑪?shù)膱F(tuán)隊(duì)認(rèn)為這項(xiàng)設(shè)想的成功實(shí)現(xiàn)可能“為下一次工業(yè)革命打下基礎(chǔ)”。

設(shè)計(jì)成大腸桿菌核糖體RNA形態(tài)的計(jì)算機(jī)芯片​

粒子碰撞機(jī)

歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)長(zhǎng)達(dá)17英里(大約27公里多)的身形使它成為全球最大的粒子加速器。它有沒有可能也是全球最大的計(jì)算機(jī)呢?

利用LHC進(jìn)行超環(huán)面儀器(ATLAS)實(shí)驗(yàn)時(shí)質(zhì)子的碰撞

短期內(nèi)還不是，不過想想還至少是可能的。阿達(dá)馬特茲基的另一項(xiàng)追求被他稱為“基于碰撞的計(jì)算”，也就是是經(jīng)計(jì)算建模的粒子快速通過數(shù)碼回旋加速器，利用粒子間的相互作用進(jìn)行運(yùn)算。“數(shù)據(jù)和結(jié)果就好像劃過空中的皮球一樣。” 阿達(dá)馬特茲基說。

受刺激的粒子碰撞隨時(shí)間的發(fā)展變化

量子計(jì)算機(jī)

量子糾纏是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，描述的是兩個(gè)相聚非常遙遠(yuǎn)的粒子仍然通過時(shí)空相互聯(lián)系，一個(gè)粒子的改變立刻會(huì)影響到另一個(gè)。諸如此類的量子力量令人毛骨悚然，但利用這些力量構(gòu)建計(jì)算機(jī)的想法卻已有些年頭了。雖然量子計(jì)算機(jī)要面世還早得很，相關(guān)成果卻在不斷累積：利用更多粒子展現(xiàn)，糾纏現(xiàn)象已達(dá)到肉眼可見的程度。這種現(xiàn)象被用于控制機(jī)械物質(zhì)。

最近的成果被發(fā)表在3月31日的《自然-光子學(xué)》雜志上。馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家伊度·瓦克斯和同事成功用邏輯電路控制光子。這些邏輯電路由量子點(diǎn)或者受激光和磁力控制的半導(dǎo)體晶體構(gòu)建而成。研究者寫道，這些成果“代表了向固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)邁出的重要一步”。

用邏輯電路控制光子

凍結(jié)光線

如果利用糾纏的光子運(yùn)行計(jì)算機(jī)還言之過早的話，這里還有一種以光作為基礎(chǔ)的計(jì)算方式——非量子的。當(dāng)溫度低到只比絕對(duì)零度高一點(diǎn)時(shí)，超低溫的原子云可能能夠拖慢并控制光。利用這種現(xiàn)象也許能制造光學(xué)計(jì)算機(jī)芯片。

 量子大腦

人們總是很容易地將思維聯(lián)想成計(jì)算機(jī)。在這個(gè)意義上說，大腦就是信息處理系統(tǒng)。然而，它們還比任何工程設(shè)備都復(fù)雜并精密得多。

即使量子計(jì)算現(xiàn)在仍是個(gè)遙不可及的夢(mèng)想，一些科學(xué)家思考意識(shí)背后的量子物理學(xué)。這個(gè)問題還尚未解決，不過研究者在一系列非人類的細(xì)胞中觀察到了量子過程，這為量子在意識(shí)中的作用提出了扣人心弦的可能。

“人類意識(shí)中有量子運(yùn)算過程，不過僅僅發(fā)生在潛意識(shí)水平，”帕多瓦大學(xué)的理論物理學(xué)家帕奧拉·孜孜(Paola Zizzi)說道：“由于量子運(yùn)算比經(jīng)典的運(yùn)算過程快得多，潛意識(shí)的思考也比有意識(shí)的思考要快得多，前者為后者‘做了準(zhǔn)備’。”

一旦量子思考過程在我們的大腦中被鑒別出來，也許會(huì)啟發(fā)我們?cè)O(shè)計(jì)出現(xiàn)在無法想象的計(jì)算機(jī)。“概括地說，這是許多非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)構(gòu)的前進(jìn)動(dòng)力。”《可計(jì)算的宇宙：將自然當(dāng)成運(yùn)算去理解和探索》(A Computable Universe: Understanding and Exploring Nature as Computation)的編者，瑞典卡羅琳斯卡大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家赫克托·詹尼爾(Hector Zenil)這樣說。

詹尼爾并不相信大腦里的量子運(yùn)算那一套，但他眼中的世界的確布滿了信息化過程。他說，像他和孜孜那樣的研究人員正在竭盡所能地“運(yùn)用大自然可能使用的一切運(yùn)算原則去構(gòu)思新型計(jì)算方式”。

宇宙也是計(jì)算機(jī)?

在《可計(jì)算的宇宙》一書中，詹尼爾和其他其他人把運(yùn)算看作一個(gè)抽象的過程。任何具有存儲(chǔ)和信息處理能力的系統(tǒng)都能在邏輯的限度內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算。他們認(rèn)為，計(jì)算機(jī)并不僅僅可以用化學(xué)物質(zhì)或細(xì)胞或光線制造。宇宙本身可能就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，處理由我們?nèi)粘５慕?jīng)歷、以及其他一切事物組成的信息。

這是個(gè)棘手的構(gòu)思——如果宇宙是運(yùn)算的，誰(shuí)是運(yùn)算者?出于明顯的理由，要驗(yàn)證這個(gè)構(gòu)思非常困難。不過，詹尼爾認(rèn)為不無可能。在他關(guān)于存在的算法研究中，他開發(fā)了量度數(shù)據(jù)分布的方法，可能被用于檢驗(yàn)現(xiàn)實(shí)是否運(yùn)算的結(jié)果。

這個(gè)命題成立的話，生命在線性機(jī)械排序的作用就到頭了。如果這就已經(jīng)是個(gè)駭人聽聞的設(shè)想，那么接下來這個(gè)肯定也是——預(yù)訂的機(jī)械過程并不支配“宇宙計(jì)算機(jī)”。存在物的某些方面肯定是不可判定的，也就是不可能通過算法或預(yù)測(cè)作事先描述。在這個(gè)計(jì)算機(jī)里，鬼魂也依然是存活的。