@ 2017.05.12 , 18:00
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化学方式的1比特存储单元

在经典计算机科学中,以比特存储信息;在量子计算机科学中,以量子比特存储信息。华沙波兰科学院物理化学研究所的实验家们证实,化学也是一种存储信息的合适载体。化学比特,或者说“chit”,是一种简单排列的三液滴,彼此紧密接触并不断振荡。

典型的电子存储器利用物理现象记录、存储和读取零和一,比如电力流动、电气变化、磁性变化等。波兰科学院物理化学研究所(IPC PAS)的Konrad Gizynski博士和Jerzy Gorecki教授证实可利用化学现象得到存储器。利用三个毗邻液滴存储单个比特,液滴之间的化学反应锋面稳定、周期、严格地传递。

这种存储形式的化学基础是贝洛索夫-恰鲍廷斯基反应(BZ反应)。该反应过程是振荡的,能在正反两个方向上自发进行。当一个周期结束,下一个循环所需的试剂会在溶液中重新形成。反应停止前,通常会经历几十到数百次振荡。由于研究者使用了邻二氮菲亚铁离子这种反应催化剂,溶液颜色会规律变化。华沙研究者还使用了第二种催化剂——钌,使得BZ反应具备了光敏性,即当用蓝光照射溶液时,就不再振荡。这种特性使得研究者能控制反应进程。

Gorecki教授解释道:“我们关于化学信息存储的想法十分简单。从先前的实验中,我们知道当BZ液滴相互接触,化学反应锋面能从一个液滴传递到另一个液滴。因此我们决定寻找能够产生多种激发态的最小液滴系统,并且至少存在两种稳定的。然后将激发序列分配逻辑值0或者1,并且利用光照进行状态切换或者强制进行特定的存储状态变化。”

在一个容器中,研究者在石油中(癸烷)中嵌入薄薄的一层脂质溶液以进行实验。用移液管滴入少量振荡溶液到该系统中。将整个容器放在光纤末端上方。为了防止液滴滑落,用塑料做成了一些固定在容器上的柱子容纳这些液滴。

化学方式的1比特存储单元
实验装置。credit: 煎蛋第十一位画师seηz

研究者从一对耦合液滴开始进行搜寻,其中会发生四种振荡:甲液滴激发乙液滴;乙液滴激发甲液滴;甲乙液滴同时激发;甲乙液滴交替激发(即当其中一个激发,另外一个就处于不应期)。

Gizynski博士说道:“在成对液滴系统中,最常见的是一个液滴激发另一个。不幸的是,只有一种模式总是稳定的,但我们需要两种。两个液滴都是由相同溶液而来,但其大小不会完全一致。因此,在每个液滴中发生的化学振荡均会存在细微的不同。在此情况下,振荡较慢的液滴会调整自己的节奏适应较快的‘盆友’。即使有可能用光强制使振荡较慢的液滴激发振荡较快的液滴,双液滴系统也会很快转换到较快液滴激发较慢液滴的模式。”

在此情形下,IPC PAS的研究者开始检查三角排列的三邻接液滴(每个液滴与两滴液滴相邻)。这种系统中存在多种化学反应锋面传递方式:液滴可能同时反相振荡,可能两个液滴同时振荡并迫使第三个振荡等。研究者对轮转模式最感兴趣,该模式中化学锋面是按照1-2-3的正序或者反序逐个液滴传递的。

BZ反应能快速进行到激发状态的液滴,需要更多的时间才能回到初始状态,并只有在此之后才能再次激发。因此如果1-2-3模式中激发态在三个液滴中传递得过快,那么一次循环结束后由于第一个液滴技能冷却时间不够,第一个液滴将无法再次激发并开始新的循环,轮转模式就会终止。研究者只对能多次循环的轮转模式感兴趣,这种模式具有额外的优点:液滴间循环传递的化学反应锋面形成了螺旋波,其特点就是稳定性更好。

化学方式的1比特存储单元
化学比特存储原理。credit: 煎蛋御用之出场一集就挂掉之除了胳膊长和画科研超载鸡之外其余功能还未开发之画师三号机Dealter

实验人员证实两种研究的轮转模式都是稳定的,如果系统进入了其中一种模式,就将一直保持直到BZ反应停止。针对合适的液滴正确选择光照时间和时长,还能改变激发态的旋转方向。三液滴系统由此就能永久地存储两种逻辑状态之一。

Gizynski评论道:“事实上,我们的化学比特比传统比特的潜力还要稍微大一些。我们用来记录零一状态的两种旋转模式分别具有最慢18.7秒和19.5秒的振荡周期。因此如果系统振荡变慢,我们就能得到额外的第三种逻辑状态,并可据此确认记录的正确性。”

该研究在自然界中是很基础的,只是为了证实利用化学反应稳定存储信息的可能性。该存储反应只负责存储信息,其中信息的记录和读取还需要通过物理方法实现。也许多年以后可以据此制造功能完善的化学存储器,并在此基础上设计化学计算机。

论文原文:DOI: 10.1039/c6cp07492h

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 18+1

  1. 比利海灵顿
    @5 months ago
    3449192

    我是文盲???

    [16] XX [0] 回复 [0]
  2. 3449193

    你个没良心的动图,把我骗进来。

    [43] XX [0] 回复 [0]
  3. 3449194

    给这种科技类文章配图真是辛苦了

    [17] XX [0] 回复 [0]
  4. 3449196

    chit
    差点看成 colt
    看你们玩梗走火入魔了

    [21] XX [0] 回复 [0]
  5. 3449201

    良心呢?

  6. 3449207

    电脑上的…… 那是i社?

  7. 故作高深
    @5 months ago
    3449212

    注意力全在电脑屏幕的I社logo上,这个seηs很有想法,

  8. mantfort
    @5 months ago
    3449218

    dealter的称号好帅

  9. 马赛克
    @5 months ago
    3449227

    居然还画了GIF???

  10. JLDY-knight
    @5 months ago
    3449246

    良心都喂鸡了

  11. 3449250

    @Sun: 科技文,心中莫有杂念!

  12. 3449255

    @故作高深: 是senz——注意镜像对称

  13. Alixsander
    @5 months ago
    3449263

    长此以往,必将有一批灵魂画师从煎蛋众基佬们中涅盘而生!

  14. 3449275

    你说动图以为是活塞运动的动图,端着饭碗就点进来了 -_-!!!

  15. wonewish
    @5 months ago
    3449328

    不知道为什么,你竟然想让我明白这些。

  16. 邻家大爷
    @5 months ago
    3449407

    化学反应太慢,好像成功了也没前途。

  17. 3449587

    插座也是个超载鸡。。。吧

  18. 3449624

    难道没人吐槽这里的重点是 液滴里面可以储存大量的数据么

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