Powstanie chemiczna pamięć? „Chit” polskich naukowców

Jak dotąd do zapisu informacji w bitach, a w informatyce kwantowej w bitach kwantowych (czyli kubitach) służyły tylko i wyłącznie rozwiązania z zakresu fizyki. Obecnie, za sprawą naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie również dzięki rozwiązaniom z dziedziny chemii stanie się to możliwe. Polscy uczeni pracują obecnie nad stworzeniem chemicznego bitu, którego sami określili jako „chit”.

Konkurent „klasycznej” informatyki
W ostatnich dniach dr inż. Konrad Giżyński oraz prof. dr hab. Jerzy Górecki z IChF PAN zademonstrowali efekty swoich badań. W ten sposób poznać mogliśmy właściwie zachowującą dane pamięć, która zbudowana jest w oparciu o zjawiska chemiczne. Podstawą uzyskania bitu jest w tym przypadku prosty układ trzech stykających się kropel, w których zachodzą reakcje oscylacyjne. Jak informuje Instytut: „Chemicznym fundamentem pamięci skonstruowanej przez badaczy z IChF PAN są zachodzące w odpowiednio przygotowanych roztworach reakcje Biełousowa-Żabotyńskiego. Przebieg tych reakcji ma charakter oscylacji: gdy jeden cykl się kończy, w roztworze odtwarzają się reagenty niezbędne do rozpoczęcia kolejnego cyklu. Nim reakcja ustanie, zwykle dochodzi do kilkudziesięciu-kilkuset oscylacji. Towarzyszą im regularne zmiany koloru roztworu, za które odpowiada ferroina, katalizator reakcji. Drugim katalizatorem używanym przez warszawskich naukowców był ruten. Wprowadzenie rutenu miało kluczowe znaczenie, ponieważ powoduje on, że reakcja Biełousowa- Żabotyńskiego staje się światłoczuła tj. przy intensywnym oświetleniu roztworu światłem niebieskim przestaje on oscylować. Cecha ta pozwala kontrolować przebieg reakcji.”

W efekcie tego możliwe staje się zapisywanie i przechowywanie danych nie za pomocą zjawisk fizycznych, takich jak przepływ prądu czy zmiana właściwości elektrycznych bądź magnetycznych nośnika, lecz dzięki ściśle kontrolowanej reakcji chemicznej. – Nasz pomysł na chemiczne zapisywanie informacji był prosty. Z wcześniejszych doświadczeń wiedzieliśmy, że gdy krople z reakcjami Biełousowa-Żabotyńskiego się stykają, fronty chemiczne mogą propagować z kropli do kropli. Postanowiliśmy więc poszukać jak najmniejszych układów kropel, w których wzbudzenia mogłyby zachodzić na kilka sposobów, przy czym przynajmniej dwa byłyby trwałe. Jednej sekwencji wzbudzeń moglibyśmy wtedy przyporządkować wartość logiczną 0, drugiej 1, a do przełączania układu między nimi, a więc do wymuszania określonej zmiany stanu pamięci, używać światła – mówi prof. Jerzy Górecki. W ten sposób „klasyczna” informatyka, ze swoim fizycznym bitem znaleźć może chemicznego konkurenta, który z powodzeniem będzie z nim konkurować. Z jakich powodów?

Trwały efekt
Dr inż. Konrad Giżyński oraz prof. dr hab. Jerzy Górecki udowodnili, że w pełni możliwie jest trwałe przechowywanie informacji za pomocą reakcji chemicznych (ich zapis to w dalszym ciągu domena zjawisk fizycznych). Ich odkrycie wskazuje na jeden niezwykle istotny plus proponowanej metody przechowywania informacji. Jej postawą jest wypracowana przez naukowców IChF PAN w szeregu doświadczeń możliwość wykorzystania zjawiska oscylacji (w szerokim rozumieniu oznaczającego cykliczną zmianę pewnej wielkości, względem innej zmiennej, zwykle czasowej lub przestrzennej). – W układach dwóch kropel najczęściej jedna kropla wzbudzała drugą. Niestety, zawsze stabilny był tylko jeden mod tego rodzaju, a my potrzebowaliśmy dwóch – wyjaśnia dr Konrad Giżyński. – Obie krople powstają z tego samego roztworu, ale nigdy nie mają dokładnie tych samych rozmiarów. W efekcie w każdej kropli chemiczne oscylacje zachodzą w nieco innym tempie. W takich przypadkach kropla oscylująca wolniej zaczyna dopasowywać swój rytm do szybszej ‚koleżanki’. Jeśli nawet udawało się wymusić światłem, żeby kropla oscylująca wolniej pobudzała kroplę oscylującą szybciej, układ i tak wracał do modu, w którym szybsza kropla wzbudza wolniejszą.

Dlatego też badacze skoncentrowali się na trójkach stykających się ze sobą kropel, które rozmieszczone są na planie trójkąta – w ten sposób, że każda kropla stykała się bezpośrednio z dwiema innymi. W tym kontekście dużego znaczenia nabiera fakt, że w tym układzie krople mogą oscylować na różne sposoby: jednocześnie, w przeciwfazach, oprócz tego dwie krople mogą oddziaływać jednocześnie i wymuszać oscylacje w trzeciej itp. Tym, co najbardziej zainteresowało polskich naukowców są mody rotacyjne, w przypadku których fronty chemiczne przechodziły z kropli do kropli w sekwencji 1-2-3 lub w odwrotnym kierunku (czyli 3-2-1).
Jak prezentuje ten etap badań IChF PAN: „kropla, w której zachodzi reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego, wzbudza się szybko, lecz znacznie dłużej powraca do stanu początkowego i dopiero gdy go osiągnie można ją wzbudzić ponownie. Gdyby więc w modzie 1-2-3 wzbudzenie doszło do kropli nr 3 zbyt szybko, nie przedostałoby się do kropli nr 1 by zainicjować nowy cykl, ta bowiem nie zdążyłaby „odpocząć”. W rezultacie mod rotacyjny by zanikł. Badacze z IChF PAN skoncentrowali się na modach rotacyjnych zdolnych do wielokrotnego powtórzenia cyklu wzbudzeń. Miały one dodatkową zaletę: krążące między kroplami fronty chemiczne przypominają falę spiralną, a fale tego typu cechują się zwiększoną stabilnością.”

Niezwykle istotnym wnioskiem z badań okazał się fakt, że w przypadku każdego z badanych modów rotacyjnych efekt eksperymentu jest trwały (tak długo, jak ma miejsce reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego). W związku z tym we właściwy sposób dobierając czas i długość oświetlenia odpowiednich kropel, można jednocześnie zmieniać kierunek rotacji wzbudzeń. W ten sposób udowodniono, że układ trzech kropel, w procesie wielokrotnego obiegania przez fronty chemiczne jest w tym czasie zdolny do trwałego przechowywania jednego z dwóch stanów logicznych.

W czym „chit” może być lepszy niż bit?
Przechowywanie przez „chit” danych charakteryzuje nie tylko sama możliwość tego faktu. Posiada on jeszcze jeden, istotny plus, dzięki któremu może stać się w przyszłości skutecznym konkurentem „fizycznego” bitu. Mówi o tym dr Konrad Giżyński: – Tak naprawdę nasz chemiczny bit ma nieco większe możliwości niż bit klasyczny. Mody rotacyjne, których używaliśmy do zapisu stanów 0 i 1, miały najkrótsze czasy oscylacji, równe odpowiednio 18,7 s i 19,5 s. Jeśli więc układ oscylował jakkolwiek wolniej, można było mówić o dodatkowym, trzecim stanie logicznym.
Dzięki temu – jak podkreśla naukowiec – ów trzeci stan mógłby być stosowany nie tylko do przechowywania informacji, a na przykład do weryfikowania poprawności zapisu. W ten sposób jego możliwości byłyby rozszerzone w stosunku do „klasycznego” sposobu zapisu danych. Do tego, by został on wyprodukowany jest jeszcze długa i wyboista droga. Praca naukowców IChF PAN, która sfinansowana została ze środków Narodowego Centrum Nauki, miała charakter ściśle badawczy. Pozwoliła ona na udowodnienie, że możliwe jest przechowywanie informacji za pomocą reakcji chemicznych. Choć do powstania chemicznego komputera z całą pewnością potrzeba jeszcze bardzo wielu badań i doświadczeń – przede wszystkim związanych ze znalezieniem metody zapisu danych, to stało się to w tej chwili możliwe. W związku z tym liczyć możemy na prowadzenie dalszych badań, dotyczących tej kwestii.