Computadora química

Una computadora química , también llamada computadora de reacción-difusión , computadora Belousov-Zhabotinsky ( BZ ) o computadora gooware , es una computadora no convencional basada en una "sopa" química semisólida donde los datos se representan mediante concentraciones variables de sustancias químicas. ^{[ 1 ]} Los cálculos se realizan mediante reacciones químicas que ocurren naturalmente .

Originalmente, las reacciones químicas se consideraban un simple movimiento hacia un equilibrio estable, lo cual no resultaba muy prometedor para la computación. Esto cambió gracias a un descubrimiento realizado por Boris Belousov , un científico soviético , en la década de 1950. Belousov creó una reacción química entre diferentes sales y ácidos que oscilaban entre el amarillo y el transparente debido a que la concentración de los distintos componentes variaba cíclicamente. En aquel entonces, esto se consideraba imposible, ya que parecía contradecir la segunda ley de la termodinámica , que establece que en un sistema cerrado la entropía solo aumenta con el tiempo, lo que provoca que los componentes de la mezcla se distribuyan hasta alcanzar el equilibrio, imposibilitando así cualquier cambio en la concentración. Sin embargo, los análisis teóricos modernos demuestran que reacciones suficientemente complejas pueden, de hecho, presentar fenómenos ondulatorios sin violar las leyes de la naturaleza. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ( Anatol Zhabotinsky logró una demostración convincente y directamente visible con la reacción de Belousov-Zhabotinsky, que mostraba ondas de colores en espiral).

Las propiedades ondulatorias de la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ) implican que puede transmitir información de la misma manera que cualquier otra onda. Sin embargo, aún se requiere computación, la cual se lleva a cabo mediante microchips convencionales que utilizan el código binario para transmitir y modificar unos y ceros a través de un complejo sistema de compuertas lógicas . Para realizar cualquier cálculo imaginable, basta con contar con compuertas NAND . (Una compuerta NAND tiene una entrada de dos bits. Su salida es 0 si ambos bits son 1, y 1 en caso contrario). En la versión computacional química, las compuertas lógicas se implementan mediante ondas de concentración que se bloquean o amplifican entre sí de diferentes maneras.

En 1989 se demostró cómo las reacciones químicas sensibles a la luz podían realizar el procesamiento de imágenes . ^{[ 3 ]} Esto condujo a un auge en el campo de la computación química. Andrew Adamatzky en la Universidad del Oeste de Inglaterra ha demostrado puertas lógicas simples utilizando procesos de reacción-difusión . ^{[ 4 ]} Además, ha demostrado teóricamente cómo un hipotético "2 ⁺ medio" modelado como un autómata celular puede realizar computación. ^{[ 5 ]} Adamatzky se inspiró en un artículo teórico sobre computación utilizando bolas en una mesa de billar para transferir este principio a los químicos BZ y reemplazar las bolas de billar con ondas: si dos ondas se encuentran en la solución, crean una tercera onda que se registra como un 1.

Uno de los problemas de la versión actual de esta tecnología es la velocidad de las ondas; se propagan a tan solo unos milímetros por minuto. Según Adamatzky, este problema puede solucionarse colocando las compuertas muy cerca unas de otras, para asegurar una rápida transmisión de las señales. Otra posibilidad serían nuevas reacciones químicas que propaguen las ondas a mayor velocidad.

En 2014, un equipo internacional liderado por los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) desarrolló un sistema de computación química . Este sistema empleó cálculos de tensión superficial derivados del efecto Marangoni, utilizando un gel ácido, para encontrar la ruta más eficiente entre los puntos A y B, superando a un sistema de navegación por satélite convencional que intentaba calcular la misma ruta. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

En 2015, estudiantes de posgrado de la Universidad de Stanford crearon una computadora utilizando campos magnéticos y gotas de agua con nanopartículas magnéticas , ilustrando algunos de los principios básicos de una computadora química. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

En 2015, estudiantes de la Universidad de Washington crearon un lenguaje de programación para reacciones químicas (desarrollado originalmente para el análisis de ADN ). ^{[ 10 ] [ 11 ]}

En 2017, investigadores de la Universidad de Harvard patentaron una máquina de Turing química que operaba utilizando la dinámica no lineal de la reacción de Belousov-Zhabotinsky . ^{[ 12 ]} El sistema que desarrollaron es capaz de reconocer un lenguaje Chomsky de tipo 1 utilizando consideraciones de energía libre de Gibbs . Este trabajo se publicó posteriormente en 2019, incluyendo sistemas para lenguajes Chomsky de tipo 2 y tipo 3. ^{[ 13 ]}

En 2020, investigadores de la Universidad de Glasgow crearon una computadora química utilizando piezas impresas en 3D y agitadores magnéticos para controlar las oscilaciones de un medio BZ. De esta manera, lograron calcular compuertas lógicas binarias y realizar reconocimiento de patrones. ^{[ 14 ]}

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• "Presentamos el ordenador glooper" - Artículo de Duncan Graham-Rowe en New Scientist (Acceso restringido)