Badania

Chemiczny bit

Opublikowano: 2017-06-07

forum akademickie

W klasycznej informatyce informację zapisuje się w bitach, w informatyce kwantowej – w bitach kwantowych, czyli kubitach. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie pokazali, że do przechowywania informacji można użyć także chemicznego bitu – „chitu”, będącego układem trzech stykających się kropel, w których zachodzą reakcje oscylacyjne.

W typowych pamięciach elektronicznych zera i jedynki są zapisywane, przechowywane i odczytywane za pomocą zjawisk fizycznych, takich jak przepływ prądu czy zmiana właściwości elektrycznych bądź magnetycznych nośnika. Dr inż. Konrad Giżyński oraz prof. dr hab. Jerzy Górecki z IChF PAN w Warszawie zademonstrowali pamięć działającą w oparciu o zjawiska chemiczne. Pojedynczy bit jest przechowywany w trzech stykających się ze sobą kroplach, między którymi stabilnie, cyklicznie i w ściśle określony sposób propagują się fronty reakcji chemicznych. Chemicznym fundamentem tej pamięci są zachodzące w odpowiednio przygotowanych roztworach reakcje Biełousowa-Żabotyńskiego. Ich przebieg 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, a cecha ta pozwala kontrolować przebieg reakcji.

– 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 – wyjaśnia prof. Górecki.

Doświadczenia przeprowadzano w naczyniu wypełnionym cienką warstwą roztworu lipidów w oleju. Do tak przygotowanego układu za pomocą pipety wprowadzano niewielkie ilości roztworu oscylującego. Krople nanoszono w określone miejsca, nad końcówki światłowodów doprowadzonych pod spód naczynia. Aby krople nie ześlizgiwały się znad światłowodów, każdą unieruchomiono za pomocą kilku pręcików wystających z dna naczynia.
Poszukiwania rozpoczęto od badań układów dwóch kropel. Mogą w nich zachodzić cztery rodzaje (mody) oscylacji: kropla nr 1 pobudza kroplę nr 2, kropla nr 2 pobudza kroplę nr 1, obie krople wzbudzają się jednocześnie, obie wzbudzają się naprzemiennie.

– W układach dwóch kropel najczęściej jedna kropla wzbudzała drugą. Niestety, zawsze stabilny był tylko jeden mod tego rodzaju, a my potrzebowaliśmy dwóch – mówi dr Giżyński.

Naukowcy zajęli się więc trójkami stykających się kropel, rozmieszczonych na planie trójkąta, ponieważ fronty chemiczne mogą się tu propagować na wiele sposobów. Badaczy najbardziej ciekawiły takie mody rotacyjne, gdy fronty chemiczne przechodziły z kropli do kropli w sekwencji 1-2-3 lub w odwrotnym kierunku. 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. Eksperymenty wykazały, że oba badane mody rotacyjne są trwałe i jeśli układ wejdzie w jeden z nich, pozostaje w nim aż do ustania reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego. Potwierdzono też, że właściwie dobierając czas i długość oświetlenia odpowiednich kropel można zmieniać kierunek rotacji wzbudzeń. Układ trzech kropel, wielokrotnie obieganych przez fronty chemiczne, był więc zdolny do trwałego przechowywania jednego z dwóch stanów logicznych.

– 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, jeśli więc układ oscylował wolniej, można było mówić o dodatkowym, trzecim stanie logicznym – komentuje dr Giżyński i dodaje, że ów trzeci stan mógłby być stosowany nie do przechowywania informacji, lecz weryfikowania poprawności zapisu.

Badania nad chemiczna pamięcią, finansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki, miały charakter podstawowy i służyły wyłącznie zademonstrowaniu, że trwałe przechowywanie informacji za pomocą reakcji chemicznych jest możliwe, podczas gdy jej zapis i odczyt nadal wymagały metod fizycznych.

JK

(Źródło: Instytut Chemii Fizycznej PAN)


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie