Máy tính làm từ DNA tính toán 100 bit trong một giọt nước muối

Nhà nghiên cứu xử lý mẫu DNA trong phòng thí nghiệm, minh họa công nghệ máy tính phân tử

Nhắc đến máy tính, nhiều người thường nghĩ đến những con chip silicon chứa hàng tỉ bóng bán dẫn. Tuy nhiên, các nhà khoa học tại Ireland vừa thực hiện phép tính bằng những sợi DNA nằm trong một giọt chất lỏng. Hệ thống không có màn hình hay bàn phím nhưng vẫn có thể cộng, nhân, chia và xử lý dữ liệu nhị phân.

Một giọt chất lỏng có thể tính toán như thế nào?

Công trình do nhóm nghiên cứu tại Đại học Maynooth phát triển, được công bố ngày 16-9 trên tạp chí Nature. Hệ thống được gọi là máy tính DNA có giàn đỡ, tên tiếng Anh là Scaffolded DNA Computer, viết tắt SDC.

Khác với máy tính thông thường, SDC không sử dụng chip silicon để xử lý thông tin. Thành phần chính của nó gồm một sợi DNA dài đóng vai trò giàn đỡ và nhiều đoạn DNA ngắn mang dữ liệu cùng chỉ dẫn của chương trình.

Các thành phần được đưa vào một ống nghiệm chứa lượng nhỏ nước và muối. Hỗn hợp sau đó được làm nóng rồi hạ nhiệt, tạo điều kiện để những đoạn DNA ngắn tìm đến và liên kết với vị trí phù hợp trên sợi DNA dài.

Có thể hình dung quá trình này giống như ghép một dãy mảnh xếp hình. Mỗi đoạn DNA chỉ phù hợp với một số vị trí nhất định. Nếu hai đoạn nằm cạnh nhau không tương thích, liên kết đó sẽ kém ổn định và có thể bị thay thế. Sau nhiều lần tương tác, các phân tử dần tạo thành cấu trúc ổn định nhất, tương ứng với kết quả của phép tính.

Điểm mới của phương pháp nằm ở việc đáp án đúng được thiết kế trở thành trạng thái thuận lợi nhất về năng lượng. Nhờ vậy, hệ thống có thể tự tiến dần đến cấu trúc mang kết quả chính xác, thay vì cần một cơ chế riêng liên tục dò và sửa từng lỗi phát sinh.

Kết quả được đọc thông qua tín hiệu huỳnh quang tại các vị trí trên cấu trúc DNA. Tín hiệu thấp hoặc cao đại diện cho các giá trị 0 và 1, tương tự cách máy tính điện tử sử dụng dữ liệu nhị phân.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm 10 chương trình, gồm cộng hai số, nhân ba, chia hai và kiểm tra một chuỗi nhị phân có số lượng chữ số 1 là chẵn hay lẻ. Hệ thống cũng thực hiện phép cộng hai số dài 25 bit.

Theo nghiên cứu, phép cộng này sử dụng 50 bit đầu vào, 25 bit nhớ và 25 bit kết quả, tạo thành 100 bit tính toán. Con số này không phải thông số sức mạnh giống cách người dùng thường nói về hệ điều hành 32 bit hoặc 64 bit. Nó mô tả lượng thông tin nhị phân tham gia vào toàn bộ phép tính.

Tốc độ xử lý phụ thuộc vào độ phức tạp của chương trình. Một phép cộng đơn giản như 10 cộng 3 có thể cho kết quả sau khoảng 30 giây trong thử nghiệm nhanh. Trong khi đó, phép cộng những số có giá trị khoảng 11 triệu đến 34 triệu có thể mất tới 14 giờ.

Nhóm nghiên cứu cũng kiểm tra khả năng tái sử dụng. Một chương trình sao chép bit được chạy lại 25 lần và vẫn cho tín hiệu đầu ra có thể phân biệt. Hai chương trình cộng phức tạp hơn được chạy lại chín lần bằng cách bổ sung dữ liệu mới rồi tiếp tục chu trình làm nóng và hạ nhiệt.

Chưa thể thay chip silicon nhưng mở thêm hướng tính toán mới

Dù thực hiện được nhiều chương trình, máy tính DNA hiện chưa thể cạnh tranh với chip silicon về tốc độ. Một phép tính mà điện thoại hoàn thành gần như tức thời có thể khiến hệ thống phân tử mất từ vài phút đến nhiều giờ.

Đây cũng chưa phải chiếc máy tính hoàn chỉnh có thể chạy ứng dụng. Hệ thống vẫn cần ống nghiệm, thiết bị kiểm soát nhiệt độ và máy đọc tín hiệu huỳnh quang. Vì vậy, không thể hiểu rằng nó hoạt động hoàn toàn không cần điện.

Khác biệt nằm ở chỗ phản ứng của các phân tử không cần được cung cấp năng lượng liên tục trong suốt quá trình tính toán. Sau khi được kích hoạt bằng nhiệt, những đoạn DNA có thể tự tương tác, thay đổi liên kết và tiến dần đến cấu trúc mang đáp án.

Giá trị lớn nhất của công trình hiện nay không nằm ở tốc độ mà ở việc chứng minh một hệ thống phân tử có thể được lập trình để thực hiện nhiều loại phép tính. Trong một giọt chất lỏng rất nhỏ có thể chứa hàng tỉ, thậm chí hàng nghìn tỉ đoạn DNA cùng hoạt động.

Khả năng xử lý nhiều phân tử song song có thể mở thêm hướng nghiên cứu về lưu trữ dữ liệu lâu dài và tính toán tiết kiệm năng lượng. Xa hơn, giới khoa học kỳ vọng những hệ thống phân tử tương tự có thể hoạt động trong môi trường sinh học, chẳng hạn nhận biết dấu hiệu bất thường bên trong tế bào và tạo ra phản ứng phù hợp.

Tuy nhiên, đây mới là triển vọng dài hạn. Các nhà nghiên cứu vẫn phải cải thiện tốc độ, độ chính xác, khả năng mở rộng và phương pháp đọc kết quả trước khi công nghệ có thể rời phòng thí nghiệm.

Máy tính DNA chưa thể thay thế điện thoại hay máy tính xách tay. Dù vậy, nghiên cứu cho thấy chip silicon không phải con đường duy nhất để xử lý thông tin: ngay cả những phân tử nhỏ trong một giọt chất lỏng cũng có thể được lập trình để tạo ra đáp án.