An der Schnittstelle von Chemie und Informatik haben Forscher der Universität Glasgow ein hybrides digital-chemisches probabilistisches Rechensystem entwickelt, das auf der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion (BZ) basiert und zur Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme verwendet werden kann.
Durch die Nutzung der inhärenten probabilistischen Natur von BZ-Reaktionen zeigt das System entstehende Verhaltensweisen wie Replikation und Konkurrenz, die in komplexen Systemen auftreten, die an lebende Organismen erinnern. Dies könnte den Weg für neuartige Ansätze für Rechenaufgaben ebnen, die durch die Einschränkungen moderner Berechnungen beeinträchtigt werden.
Die Kombination elektronischer Steuerung und chemischer Dynamik bietet eine Möglichkeit, effiziente Berechnungen durchzuführen und das Beste aus beiden zu kombinieren, um adaptive, bioinspirierte Computerplattformen mit beispielloser Effizienz und Skalierbarkeit zu entwickeln.
Die von Prof. Leroy Cronin, Regius-Lehrstuhl für Chemie an der Universität Glasgow, geleitete Forschung wurde in veröffentlicht Naturkommunikation. Prof. Cronin sprach mit Phys.org über ihre Arbeit und erläuterte seine Motivation, diese zu verfolgen.
„Ich wollte sehen, ob wir einen neuen Typ eines chemischen Informationsverarbeitungssystems entwickeln könnten, da ich davon inspiriert bin, wie die Biologie Informationen in feuchten Gehirnen verarbeiten kann“, sagte er.
Einschränkungen moderner Computer
Moderne Computer basieren auf Transistoren, den Bausteinen elektronischer Geräte, die zur Herstellung von Logikgattern und Speicherzellen verwendet werden und die Grundlage digitaler Schaltkreise bilden. Der Bedarf und die Nachfrage nach mehr Rechenleistung führen jedoch dazu, dass Transistoren immer kleiner werden.
Die Miniaturisierung von Transistoren unterliegt aufgrund herstellungsbedingter Einschränkungen und physikalischer Gesetze mehreren Einschränkungen. Je kleiner der Transistor ist, desto schwieriger ist er herzustellen und desto mehr Energie wird benötigt, desto mehr Wärme wird abgeführt und desto weniger energieeffizient ist er.
Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, andere Arten des Rechnens zu erforschen, beispielsweise das Quantencomputing, das zwar äußerst leistungsfähig bei der Lösung von Problemen ist, klassische Computer jedoch nicht unter Skalierbarkeitsproblemen aufgrund von Fehlerkorrektur leiden können.
Andererseits verwenden Berechnungen, die auf physikalischen Prozessen wie chemischen Reaktionen basieren, eine Mischung aus Systemen wie digitalen, chemischen und optischen. Dies eröffnet neue Wege für unkonventionelle Computerarchitekturen mit Fähigkeiten, die über traditionelle digitale Systeme hinausgehen.
Die BZ-Reaktion
Die BZ-Reaktion ist ein klassisches Beispiel für einen chemischen Oszillator, bei dem sich die Reaktanten- und Produktkonzentrationen periodisch ändern. Es wird in vielen chemischen Systemen beobachtet, beispielsweise in Laborumgebungen und biologischen Systemen.
Die Fähigkeit der BZ-Reaktion, komplexe, nichtlineare Dynamiken zu zeigen, macht sie zu einer attraktiven Wahl für die Untersuchung neu auftretender Phänomene und unkonventioneller Computerparadigmen.
In dieser Forschung dient die BZ-Reaktion aufgrund ihres inhärenten Oszillationsverhaltens, ihrer Anpassungsfähigkeit und ihrer Reaktionsfähigkeit auf externe Reize als Grundlage für ein hybrides Rechensystem. Durch die Nutzung der Dynamik von BZ-Reaktionen können Forscher komplexe Verhaltensweisen in natürlichen Systemen nachahmen und so eine vielseitige Plattform für Berechnungen bereitstellen.
Die Konzentrationen können als binäre Informationen dienen (wobei 0 für niedrige Konzentrationen und 1 für hohe Konzentrationen steht) und die schwankenden Konzentrationen können als zeitabhängige Variablen dienen. Darüber hinaus können sich Informationen durch Prozesse wie Diffusion zwischen einzelnen Zellen mit BZ-Reaktionen ausbreiten.
Prof. Cronin erklärte weiter: „Die Reaktion hat zwei Zustände an und aus und jedes Kästchen.“ [or cell] im Netzwerk können unabhängig, synchron oder nach der Kommunikation blinken. Dies ist der Prozess, mit dem das System so programmiert werden kann, dass es ein Problem berechnet, das dann von der Kamera ausgelesen wird.“
Ein hybrider programmierbarer Informationsprozessor
Der Kern des Informationsprozessors ist ein 3D-gedrucktes Gitter aus miteinander verbundenen Reaktoren. Jeder Reaktor oder jede Zelle beherbergt die BZ-Reaktion, sodass es sich um eine Reihe von BZ-Reaktionen handelt.
Der Eingang zu diesem Array erfolgt elektronisch und wird durch Magnetrührer gesteuert, die die Reaktion innerhalb dieser Zellen manipulieren können. Es gibt auch Grenzflächenrührer, die die Wechselwirkungen zwischen gekoppelten Zellen (über Diffusion) erleichtern und so die Schwingungen synchronisieren können.
Die Forscher beobachteten, dass die Schwankungen der Reaktanten- und Produktkonzentrationen als erzwungen gedämpfte Schwingungen auftreten, wobei die Rührer eine entscheidende Rolle bei deren Kontrolle spielen.
Dieses Verhalten ist ein charakteristisches Merkmal von BZ-Reaktionen, bei denen chemische Spezies im Laufe der Zeit periodische Konzentrationsänderungen erfahren. Diese Veränderungen machen sich an den Farbveränderungen der Flüssigkeiten bemerkbar.
Die Ausgabeverarbeitung umfasst zwei Schlüsselkomponenten: ein Convolutional Neural Network (CNN) und eine Recognition Finite State Machine (RFSM). Diese Komponenten analysieren die Reaktanten- und Produktkonzentrationen innerhalb der BZ-Reaktion, die mit Videokameras erfasst werden.
Das CNN klassifiziert die Konzentrationen in diskrete chemische Zustände, während das RFSM anhand dieser Klassifizierung den entsprechenden chemischen Zustand bestimmt.
Vereinfacht ausgedrückt werden die diskreten chemischen Zustände anhand der Konzentrationen der Reaktanten und Produkte innerhalb der BZ-Reaktion klassifiziert und bestimmt, die aufgrund der Art der Reaktionen ihrerseits probabilistisch sind.
Der probabilistische Charakter ergibt sich daraus, dass die BZ-Reaktion nichtlinear ist, was zu komplexen Wechselwirkungen zwischen chemischen Spezies führt, deren Verhalten im Laufe der Zeit inhärente Variabilität und Unvorhersehbarkeit aufweist.
Das gesamte System arbeitet reibungslos und kontinuierlich, basierend auf einer Rückkopplungsschleife, die auf den wechselnden Farben der Flüssigkeit basiert. Wenn die Konzentrationen schwanken, ist das System „ein“, was durch blaue Farben angezeigt wird, und wenn es keine Schwankungen gibt, sind die Flüssigkeiten rot, was bedeutet, dass das System „aus“ ist.
Dieser Regelkreis manipuliert die Rührer basierend auf den Farben und stellt mithilfe einer „erzwungenen“ oder externen Steuerung sicher, dass der Prozess kontinuierlich abläuft.
Chemische zelluläre Automaten und Lösung von Optimierungsproblemen
Die Forscher nutzten den Hybridprozessor, um seine Rechenleistung durch die Implementierung chemischer zellulärer Automaten (CCA) in 1D und 2D zu demonstrieren.
Hierbei handelt es sich um mathematische Modelle zur Simulation komplexer Systeme, die aus einfachen Komponenten bestehen, die nach vordefinierten Regeln lokal miteinander interagieren.
Dies führt zu aufkommenden Verhaltensweisen wie Replikation und Konkurrenz, die von „Chemits“ gezeigt werden, bei denen es sich um mehrzellige Einheiten handelt, die durch Muster chemischer Konzentrationen innerhalb des Netzes miteinander verbundener Reaktoren definiert sind, in denen die BZ-Reaktion stattfindet.
Diese Verhaltensweisen ähneln denen, die bei lebenden Organismen beobachtet werden, und tragen zur Komplexität und Anpassungsfähigkeit des Rechensystems bei.
Darüber hinaus zeigen die Forscher, dass ihr rechnerischer Ansatz, der sowohl elektronische als auch chemische Komponenten einbezieht, kombinatorische Optimierungsherausforderungen wie das Problem des Handlungsreisenden effizient bewältigen kann.
Auf der Anwendungsseite könnten solche Hybridsysteme für Deep-Learning-Aufgaben, die nichtlineares Verhalten erfordern, sehr nützlich sein. Chemische Systeme bieten solche Eigenschaften von Natur aus und machen Hybrid-Rechenarchitekturen ressourceneffizient für spezifische Probleme, bei denen Nichtlinearitäten und probabilistisches Verhalten von entscheidender Bedeutung sind.
Prof. Cornin fügte hinzu: „Ich sehe, dass eine Solid-State-Version die Hardware für künstliche Intelligenz ersetzen und viel einfacher trainiert werden könnte.“
In Zukunft möchte er die Miniaturisierung dieser Technologie erforschen und die Größe des Gitters vergrößern, um wirklich große Probleme zu lösen.
Mehr Informationen:
Abhishek Sharma et al., Ein programmierbarer hybrider digitaler chemischer Informationsprozessor basierend auf der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45896-7.
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