在化學(xué)和計算的交叉領(lǐng)域，格拉斯哥大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于Belousov-Zhabotinsky (BZ)反應(yīng)的混合數(shù)字化學(xué)概率計算系統(tǒng)，可用于解決組合優(yōu)化問題。

通過利用BZ反應(yīng)固有的概率性質(zhì)，該系統(tǒng)展示了復(fù)雜系統(tǒng)中出現(xiàn)的復(fù)制和競爭等緊急行為，讓人想起生物體。這可能會為解決受現(xiàn)代計算限制困擾的計算任務(wù)的新方法鋪平道路。

結(jié)合電子控制和化學(xué)動力學(xué)提供了一種執(zhí)行高效計算的方法，將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，開發(fā)具有無與倫比的效率和可擴展性的自適應(yīng)、生物啟發(fā)的計算平臺。

這項研究由格拉斯哥大學(xué)化學(xué)系主任Leroy Cronin教授領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在《自然通訊》上?？肆_寧教授在接受Phys.org采訪時談到了他們的工作，并闡述了他追求同樣目標(biāo)的動機。

他說:“生物學(xué)是如何在潮濕的大腦中處理信息的，這給了我靈感，我想看看我們是否能制造出一種新型的化學(xué)信息處理系統(tǒng)。”

現(xiàn)代計算的局限性

現(xiàn)代計算依賴于晶體管，它是電子設(shè)備的基本組成部分，用于創(chuàng)建邏輯門和存儲單元，構(gòu)成數(shù)字電路的基礎(chǔ)。但是，對更多計算能力的需求意味著晶體管變得越來越小。

由于制造和物理定律的限制，晶體管的小型化有幾個限制。晶體管越小，制造就越困難，需要更多的能量，散發(fā)更多的熱量，能源效率也越來越低。

這導(dǎo)致科學(xué)家們探索其他類型的計算，比如量子計算，它在解決問題方面非常強大，而經(jīng)典計算機卻不會因為糾錯而受到可擴展性問題的困擾。

另一方面，基于物理過程(如化學(xué)反應(yīng))的計算則使用數(shù)字、化學(xué)和光學(xué)等混合系統(tǒng)。這為具有超越傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)功能的非常規(guī)計算架構(gòu)開辟了新的途徑。

BZ反應(yīng)

BZ反應(yīng)是化學(xué)振蕩器的一個經(jīng)典例子，其反應(yīng)物和生成物的濃度經(jīng)歷周期性變化。它可以在許多化學(xué)系統(tǒng)中觀察到，例如實驗室環(huán)境和生物系統(tǒng)。

BZ反應(yīng)表現(xiàn)出復(fù)雜、非線性動力學(xué)的能力使其成為研究緊急現(xiàn)象和非常規(guī)計算范式的一個有吸引力的選擇。

在本研究中，BZ反應(yīng)由于其固有的振蕩行為、適應(yīng)性和對外部刺激的響應(yīng)性而成為混合計算系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過利用BZ反應(yīng)的動力學(xué)，研究人員可以模擬自然系統(tǒng)中看到的復(fù)雜行為，為計算提供一個通用的平臺。

濃度可以作為二元信息(0為低濃度，1為高濃度)，振蕩濃度可以作為隨時間變化的變量。此外，信息可以通過擴散等過程在具有BZ反應(yīng)的單個細胞之間傳播。

克羅寧教授進一步解釋說:“反應(yīng)有開和關(guān)兩種狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的每個盒子(或細胞)可以獨立閃爍，同步閃爍，也可以在通信后閃爍。這是一個過程，通過這個過程，系統(tǒng)可以被編程來計算問題，然后由相機讀出?！?/p>

混合可編程信息處理器

信息處理器的核心是一個由相互連接的反應(yīng)堆組成的3d打印網(wǎng)格。每個反應(yīng)器或細胞都進行BZ反應(yīng)，使之成為一系列BZ反應(yīng)。

該陣列的輸入是電子的，并由能夠操縱這些細胞內(nèi)反應(yīng)的磁攪拌器控制。也有界面攪拌器能夠促進耦合細胞之間的相互作用(通過擴散)，這有助于同步振蕩。

研究人員觀察到，反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度的振蕩以強制阻尼振蕩的形式發(fā)生，而攪拌器在控制它們方面起著至關(guān)重要的作用。

這種行為是BZ反應(yīng)的特征，其中化學(xué)物質(zhì)的濃度隨時間周期性變化。這些變化可以通過液體顏色的變化來觀察到。

輸出處理涉及兩個關(guān)鍵組件:卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和識別有限狀態(tài)機(rfsm)。這些組件分析BZ反應(yīng)中的反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度，這些濃度是用攝像機捕獲的。

CNN將濃度分類為離散的化學(xué)狀態(tài)，rfsm根據(jù)這種分類確定相應(yīng)的化學(xué)狀態(tài)。

簡單來說，離散的化學(xué)狀態(tài)是根據(jù)BZ反應(yīng)中的反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度進行分類和確定的，由于反應(yīng)的性質(zhì)，它們本身是概率性的。

由于BZ反應(yīng)是非線性的，導(dǎo)致化學(xué)物種之間復(fù)雜的相互作用，隨著時間的推移，它們的行為表現(xiàn)出固有的可變性和不可預(yù)測性。

整個系統(tǒng)基于基于液體顏色變化的反饋回路平穩(wěn)而連續(xù)地運行。當(dāng)濃度振蕩時，系統(tǒng)用藍色表示“開啟”，當(dāng)沒有振蕩時，液體呈紅色，表示系統(tǒng)“關(guān)閉”。

這個循環(huán)根據(jù)顏色操縱攪拌器，確保在“強制”或外部控制的幫助下，過程是連續(xù)的。

化學(xué)元胞自動機及優(yōu)化問題的求解

研究人員使用混合處理器通過在1D和2D中實現(xiàn)化學(xué)元胞自動機(CCA)來展示其計算能力。

這些是數(shù)學(xué)模型，用于模擬由簡單組件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這些組件根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則在本地相互作用。

這導(dǎo)致了諸如“Chemits”所表現(xiàn)出的復(fù)制和競爭等緊急行為，“Chemits”是由承載BZ反應(yīng)的相互連接的反應(yīng)器網(wǎng)格內(nèi)的化學(xué)濃度模式定義的多細胞實體。

這些行為類似于在生物體中觀察到的行為，并有助于計算系統(tǒng)的復(fù)雜性和適應(yīng)性。

此外，研究人員還證明，他們的計算方法結(jié)合了電子和化學(xué)成分，可以有效地解決組合優(yōu)化挑戰(zhàn)，比如旅行推銷員問題。

在應(yīng)用方面，像這樣的混合系統(tǒng)對于需要非線性行為的深度學(xué)習(xí)任務(wù)非常有用?；瘜W(xué)系統(tǒng)固有地提供這樣的特性，使得混合計算架構(gòu)在非線性和概率行為至關(guān)重要的特定問題上具有資源效率。

科寧教授補充說，“我認為固態(tài)版本可以取代人工智能硬件，并且更容易訓(xùn)練?！?/p>

在未來，他希望探索這種技術(shù)的小型化，并增加電網(wǎng)的規(guī)模，以解決真正的大問題。

更多信息:Abhishek Sharma等人，基于Belousov-Zhabotinsky反應(yīng)的可編程混合數(shù)字化學(xué)信息處理器，Nature Communications(2024)。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 45896 - 7。

?2024 Science X Network

引用本文:科學(xué)家利用化學(xué)動力學(xué)解決復(fù)雜問題(2024,4月5日)，2024年4月5日檢索自https://phys.org/news/2024-04-scientists-harness-chemical-dynamics-complex.html

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