Herausforderung: Biocomputer

Wahrscheinlich werden die Biocomputer einmal die heutigen übertreffen - durch eine hohe Vernetzung, Parallelität und Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung auf engstem Raum. Ihre faszinierenden Fähigkeiten sind in einem Buch verständlich beschrieben, zu dem ich Ihnen hier das einleitende Kapitel zu lesen geben möchte. (Claudia Borchard-Tuch, Herausforderung: Biocomputer, Olms, ISBN 3-487-11264-7). Ich würde mich sehr freuen, wenn Sie mir Ihre Ideen zu dem Thema mailen könnten! (claudia.borchard-tuch@a-city.de)

Die Grenzen der heutigen Computertechnologie scheinen erreicht zu sein - bedingt durch die Wellenlänge des Lichtes. Da ein Schaltbild auf einen Chip durch ein lithografisches Verfahren übertragen wird, ist ein kleines Strukturdetail nur bei kleiner Wellenlänge des verwendeten Lichtes erkennbar. Mit den heutigen Techniken, die ein Schaltbild mit Hilfe von sichtbarem oder ultraviolettem Licht übertragen, lassen sich Strukturen mit einer Breite von 0,25 Mikrometern erzeugen. Auf Röntgen- und Elektronenstrahlen beruhende Methoden können das Auflösungsvermögen heraufsetzen, verbunden jedoch mit den Nachteilen höherer Komplexität und Kosten. Dabei sind zahlreiche Probleme für die heutige Computertechnologie unlösbar - eine Publikation von Garey und Johnson nennt mehrere Hundert!

Gibt es Alternativen? Eine völlig neue und unkonventionelle Technologie könnte diese zur Zeit unlösbaren Probleme lösen: Computer, die aus Biomolekülen bestehen. Biomoleküle als Rechnerbausteine erlauben, noch mehr Daten noch schneller auf noch engerem Raum zu speichern. Außerdem eignen sie sich besonders für parallele Datenverarbeitung, dreidimensionale Speichersysteme und die Konstruktion Neuronaler Netze, d.h. hoch vernetzter Systeme.

In Biocomputern übernehmen natürliche Moleküle wie DNA oder Bacteriorhodopsin die Informationsverarbeitung. Sind in elektronischen Computern Informationen als Folge elektrischer Impulse verschlüsselt, erfüllen in DNA-Computern die vier Basen des DNA-Moleküls Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin diese Aufgabe. In einem DNA-Computer finden die Berechnungen in Reagenzgläsern statt. Sowohl Ein- als auch Ausgabe bestehen aus DNA-Molekülen, deren Basenfolgen bestimmte Informationen verschlüsseln. Ein Programm auf einem DNA-Computer wird durch eine Folge biochemischer Reaktionen ausgeführt, die DNA-Stränge synthetisieren, extrahieren, modifizieren und vervielfältigen. Die Techniken für diese Biocomputer-Operationen sind seit langem bekannt.

Dass DNA sich zur Doppelhelix windet und im Gegensatz zum elektronischen Computer vier Zeichen (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin) zum Verschlüsseln von Informationen benutzt anstelle von zweien (Strom an - Strom aus), ist mathematisch unbedeutend. Beide Computersysteme verschlüsseln gleichermaßen gut Informationen, und DNA-Computer sind in der Lage, alles zu berechnen, was herkömmliche Computer errechnen können. Aber DNA-Computer haben besondere Vorteile: Ein Kubikzentimeter DNA kann 10²¹ Bits Information speichern, wohingegen der Speicher eines elektronischen Computers nur über höchstens 10¹⁴ Bits verfügt. Während die elektronischen Computer zumeist linear arbeiten, d.h. einen Datenblock nach dem anderen verändern, laufen die biochemischen Reaktionen eines DNA-Computers gleichzeitig, parallel, ab: Ein einziger Schritt einer biochemischen Operation kann Auswirkungen auf Billionen von DNA-Molekülen in einem Reagenzglas haben, sodass etwa 10 Billionen Berechnungen zur gleichen Zeit ablaufen können. Allerdings sind viele der benötigten biochemischen Reaktionen zur Zeit noch störanfällig und langsam.

Neben DNA ist Bacteriorhodopsin das andere Biomolekül, das Baustein künftiger Computergenerationen sein kann. Es ist ein natürlicher Farbstoff, der das Licht der Sonne aufnimmt, sodass es mit Hilfe der Photosynthese genutzt werden kann. Beim Bestrahlen mit Licht durchläuft Bacteriorhodopsin eine Folge struktureller Änderungen, die zum Verschlüsseln von Informationen genutzt werden können. Jedem beliebigen Paar länger beständiger Strukturen lassen sich die Binärzahlen 0 und 1 zuordnen. Dies ermöglicht, Informationen als Ensemble von Bacteriorhodopsin-Molekülen zu speichern, die sich in dem einen oder anderen Zustand befinden.

Ein von Robert Birge, Professor für Chemie an der Universität Syracuse, entwickelter Bacteriorhodopsin-Speicher bricht alle Geschwindigkeitsrekorde elektronischer Computer. Der birgesche Speicher ist ein räumlicher Speicher, in dem Daten parallel geschrieben und parallel gelesen werden. Wenn man ein Quadrat von 1.024 mal 1.024 Speicherplätzen in einem größeren Bacteriorhodopsin-Würfel bestrahlt, lassen sich 1.045.576 Datenbits oder ungefähr 105 Kilobyte auf einmal in den Speicher schreiben. Da der Schreibvorgang rund zehn Millisekunden benötigt, ergibt sich eine Schreibgeschwindigkeit von gut 10 Millionen Zeichen pro Sekunde, was mit der von langsamen Speichern auf Halbleiterbasis vergleichbar ist. In einem Bacteriorhodopsin-Speicher kann aber jeder Speicherbaustein aus mehreren Datenwürfeln bestehen, und die Zugriffsgeschwindigkeit ist proportional zur Anzahl der parallel arbeitenden Würfel. Acht von ihnen ergäben bereits einen Speicher, der 80 Millionen Zeichen pro Sekunde aufnehmen könnte und damit bedeutend schneller wäre als alle heute existierenden.

Biocomputer gehören der Nanotechnologie an, einer neuen Art von Technik, die durch Steuerung einzelner Moleküle Nanomaschinen in der Größenordnung eines millionstel Millimeters schaffen will. Neben den chemischen Nanocomputern (wie dem DNA- oder dem Bacteriorhodopsin-Computer) könnte es noch zwei andere Arten von Nanorechnern geben: mechanische und Quantencomputer. Wissenschaftlern des Züricher IBM-Forschungslaboratoriums gelang es bereits, Moleküle mechanisch zu verschieben und auf diese Weise den kleinsten Abakus der Welt zu bauen.

Das zentrale Element eines Quantencomputers ist das Quantum-Bit. Das Quantum-Bit wird durch ein physikalisches System repräsentiert, das sich in zwei Zuständen (0 oder 1) befinden kann. Zusätzlich - und das ist das wesentlich Neue an Quantencomputern - kann ein Quantum-Bit auch in der Überlagerung beider Möglichkeiten existieren. Dies bedeutet, dass man in einen Quantencomputer eine Überlagerung verschiedener Daten eingeben kann. Während ein gewöhnlicher Computer die Eingabedaten der Reihe nach bearbeitet, rechnet ein Quantencomputer mit den überlagerten Daten, d.h. er bearbeitet alle Daten gleichzeitig und ist daher bedeutend schneller als ein herkömmlicher Computer. Es gibt jedoch das Problem der Dekohärenz, das den Bau eines Quantencomputers sehr schwierig macht: Wird nämlich die Überlagerung der Quantum-Bits nicht gegenüber der Umgebung sorgfältig abgeschirmt, treten überlagerte Quantum-Bits und Umgebung in Wechselwirkung zueinander, und die Überlagerung fällt in sich zusammen.

Gershenfield und Chuang stellten jedes Quantum-Bit durch eine riesige Anzahl von Molekülen dar. So konnten die beiden Forscher Messungen auf ein paar wenigen durchführen und diese dadurch dekohärent werden lassen - die große Zahl der übrigen Moleküle stand für weitere Rechenoperationen zur Verfügung. Andere Forscher lösten das Problem der Dekohärenz, indem sie das Innere des Quantencomputers strengstens von der Umgebung isolierten (z.B. Christopher R. Monroe und David J. Wineland vom National Institute of Technology und H. Jeff Kimble, California Institute of Technology).

Vor der Entwicklung von Quantencomputern gab es bereits Ideen zur Übertragung von Quanten. Die jüngste Entwicklung ist der experimentelle Nachweis der Teleportation - des Erscheinens einer Kopie eines Quantenteilchens an einer anderen Stelle des Raumes. Anton Zeilinger (Universität Innsbruck, Institut für Experimentalphysik) gelang die experimentelle Verwirklichung.

Im Folgenden wird in den Kapiteln 1-5 der DNA-Computer dargestellt. Zunächst wird in Kapitel 1 das Adleman-Experiment beschrieben, bei dem es Leonard Adleman, Computerwissenschaftler aus Südkalifornien, gelang, mit Hilfe eines DNA-Computers ein für elektronische Computer unlösbares Problem zu bewältigen. Dass mit Adlemans Idee, einen Computer aus Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin zu bauen, ein universeller, d.h. beliebig programmierbarer, Computer geschaffen werden kann, beweist Kapitel 2. Kapitel 3 stellt zwei wichtige Einsatzmöglichkeiten für DNA-Computer vor. Kapitel 4 beschreibt DNA-PASCAL, eine speziell für DNA-Computer entwickelte Programmiersprache, die DNA-Sequenzen Bedeutungen verleiht und damit die universelle Programmierbarkeit eines DNA-Computers deutlich erkennen lässt. In Kapitel 5 wird das Sticker-Modell beschrieben, der von Adleman konstruierte Prototyp eines universellen DNA-Computers.

Thema von Kapitel 6 sind Bacteriorhodopsin-Computer, und Kapitel 7 stellt die anderen, nichtbiologischen Nanocomputer vor - die mechanischen und die Quantencomputer.

 

 

 

Computersysteme - Ebenbilder der Natur?

natürliche und Softwareinfektionen,

der genetische Code, der im Laufe einer langen Evolution entstand, und die genetischen Alogorithmen,

unterscheiden. Meine Ergebnisse habe ich in einem Buch aufgeschrieben (Claudia Borchard-Tuch, Computersysteme - Ebenbilder der Natur?, Springer, ISBN 3-540-67042-4), zu dem ich Ihnen das zweite Kapitel zu lesen gebe. Ich würde mich sehr freuen, wenn Sie mir Ihre Ideen zu dem Thema mailen könnten! (claudia.borchard-tuch@a-city.de)