سیلیکون را فراموش کنید، شاید DNA آینده محاسبات کوانتومی باشد

محققان دانشگاه پکن روشی نوین برای دستکاری DNA در سطح اتمی کشف کرده‌اند. آن‌ها با استفاده از گرادیان‌های میدان الکتریکی، موفق به کنترل اسپین هسته‌ای نیتروژن در ساختار DNA شده‌اند. این یافته‌ مسیر جدیدی برای استفاده از DNA نه تنها به عنوان حافظه، بلکه به عنوان پردازشگر در نسل آینده‌ی کامپیوترهای کوانتومی گشوده است.

رمزگشایی از DNA برای محاسبات کوانتومی

در مقاله‌‌ای تازه منتشر شده، تیمی از دانشمندان دانشگاه پکن (Peking University) به بررسی امکان کنترل اسپین‌های هسته‌ای نیتروژن از طریق رزونانس الکتریکی هسته‌ای پرداختند. آن‌ها با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، محاسبات شیمی کوانتومی و تحلیل‌های نظری، چگونگی تعامل میدان الکتریکی با اتم‌های نیتروژن را بررسی کردند. این روش نوین قادر است اطلاعات ژنتیکی و ساختاری DNA را از طریق جهت‌گیری اسپین‌های هسته‌ای ذخیره کند.

به گفته‌ی نویسندگان این مقاله:

تحقیقات ما الگوهای جهت‌گیری محور اصلی گرادیان میدان الکتریکی در محل‌ اتم‌های نیتروژن در DNA را آشکار ساخت؛ این جهت‌‌گیری‌ها به وضوح با نوع بازها و ساختار سه‌بعدی DNA هم‌راستا هستند.

در واقع جهت‌گیری‌ اسپین هسته‌ اتم‌های نیتروژن، اطلاعاتی را هم در مورد توالی DNA و هم در مورد شکل سه بعدی آن ذخیره می‌کنند. کشف این موضوع، دریچه‌ای نو به سوی استفاده از DNA به عنوان یک سیستم ذخیره‌سازی داده در محاسبات کوانتومی می‌گشاید.

اما برای استفاده از DNA به عنوان یک دستگاه محاسباتی، لازم است که علاوه بر ذخیره‌سازی، مکانیزمی برای پردازش اطلاعات نیز وجود داشته باشد. این مطالعه نشان می‌دهد که اسپین‌ هسته‌ای پروتون که الگوهای پیچیده‌تری نسبت به اسپین‌های نیتروژن دارند، می‌توانند با نیتروژن‌ها تعامل کرده و و پردازش اطلاعات را تسهیل نمایند. این تعامل می‌تواند امکان ایجاد یک سیستم محاسبات کوانتومی مبتنی بر DNA را فراهم کند و پتانسیل استفاده از مولکول‌های زیستی در نسل بعدی فناوری‌های محاسباتی را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

مدل‌سازی مولکولی برای مطالعه ساختار نامرئی DNA

در این پژوهش، با استفاده از شبیه‌سازی‌ دینامیک مولکولی، مختصات اتمی DNA در طول زمان مدل‌سازی شد. اما از آنجا که مطالعه مستقیم DNA بسیار دشوار است، دانشمندان از یک سیستم DNA حل‌شده برای شبیه‌سازی رفتار مولکول‌‌های DNA استفاده کردند.

با مقایسه زوایای انحراف ساختارهای دو باز آلی همگن مجاور در DNA با زوایای انحراف گرادیان‌های میدان الکتریکی هسته‌ها، پژوهشگران وابستگی زوایای انحراف جهت‌گیری‌ اسپین هسته‌ای به ساختار DNA و همچنین تأثیر اسپین‌های هسته‌ای نیتروژن بر جهت‌های اسپین هسته‌های پروتون تحت گرادیان میدان الکتریکی را بررسی کردند. نتایج به دست آمده نشان داد که زوایای انحراف جهت‌گیری اسپین‌های هسته‌ای نیتروژن، به وضوح با ساختار سه‌بعدی DNA همسو هستند.

در همین رابطه بخوانید:

- روش جدید پژوهشگران برای ذخیره ۲۱۵ پتابایت داده روی یک گرم DNA
- اولین پردازنده مبتنی بر DNA با قابلیت خواندن و نوشتن اطلاعات ساخته شد

این پژوهش که ادامه‌ای بر مطالعات قبلی درباره کنترل اسپین‌های هسته‌ای یون‌های سدیم روی غشاهای فسفولیپیدی بود، نشان می‌دهد که با درک عمیق‌تری از تعاملات بین میدان‌های الکتریکی، جهت‌گیری اتم‌های نیتروژن و ساختار پایه‌های DNA، می‌توان راهکارهای نوآورانه‌ای در طراحی رایانه‌های کوانتومی با استفاده از مولکول‌های زیستی ارائه داد.

یافته‌های این پژوهش در مجله «Intelligent Computing» به چاپ رسیده است.