未来，它将取代量子计算机

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2018年5月22日，加拿大麦吉尔大学的工程师丹·尼古劳在《美国国家科学院院刊》撰文宣称，他们新发明的生物计算机可成为未来量子计算机的可靠替代品。当大家还停留在对量子计算机似懂非懂的阶段，它的替代者竟然迫不及待地粉墨登场了。

崭新的计算机

丹·尼古劳为何如此自信？因为这种生物计算机“天然”具备同时执行多个任务的能力，也就是计算机科学家所说的“并行计算”。与仅适用于串行计算（即尽可能快地一次执行一个任务）的传统微处理器相比，这是一个重大的革新。而21世纪初上市的多核处理器，只是通过人工手段部分地弥补了这一固有缺陷。

替代者名叫“超级蛋白质”计算机，该处理器的有机电路只需数秒就能解出极为复杂的方程，而目前笔记本电脑中的多核处理器求解同样的方程得耗时数月。相反，“超级蛋白质”计算机专为并行计算而生。为什么它具有这种能力？因为这种计算机的电路允许多个因子——替代电子作为信息载体的肌动蛋白微丝——同时运行。这一想法最早产生于21世纪初，当时科学家曾设想使用多个生物因子，最好是既小又快，来解答复杂的数学问题。

生物计算机的每次计算，都需要构建特定的回路，构建回路有赖于有机玻璃覆盖的二氧化硅芯片，其上刻有以电子束曝光工艺布局的迷宫般的隧道。这个阶段还谈不上有機——只有将蛋白质溶液注入这些纳米级的“隧道”，才最终形成运算回路。肌动蛋白微丝可以在隧道结改变方向，相当于进行了一次运算。这套系统的优势在于，它能够将多个蛋白质注入电路：被分流的信号可以覆盖整个回路，由此实现计算的同时性。在肌蛋白计算机上，研究团队成功通过建模，解出了一个知名的复杂数学问题，即找出任意整数集（比如2、5、9）蕴藏的所有子集。如果使用普通的计算机，求解这个问题所花费的时间，将随着元素数量的增加呈指数级增长，因为问题的复杂性随着每一步运算的可选择性增加而提升，组合的数量最终将趋向无穷大。

事实上，这类问题在经济学（例如对投资组合的回报及风险的评估），空间和物流管理（交通运输的最优化、计算经过71座城市的最短路程……），以及工业生产（例如提高切割材料的利用率）等领域都十分常见。在面对这类问题时，传统的微处理器必须穷举每一种可能的选项，其数量甚至可达5X1080之巨——这几乎和整个宇宙的原子总数相当，无怪乎它们的计算如此漫长！

酝酿发酵很久

尽管现在电子超级计算机的计算能力已经超乎一般人的想象，但这并不意味着再没有提高的空间。而除了计算能力以外，庞大的体积与惊人的能源消耗也是电子超级计算机不得不面对的尴尬问题。为了克服电子计算机的种种缺点，科学家通过对生物组织体研究，发现组织体是由无数的细胞组成，细胞由水、盐、蛋白质和核酸等有机物组成，而有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机，科学家把这种计算机叫做生物计算机。

1983年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。从1984年开始，日本每年用于研制生物计算机的科研经费为86亿日元。1995年，来自各国的200多位专家共同探讨了有关DNA计算机的可行性；2011年，发明了第一个由DNA分子组成的人工神经网络，可以识别四种简单的模式；2018年7月，科学家推出了“试管人工智能”，通过正确识别手写数字，可以解决经典的机器学习问题。

一根DNA链的直径仅为二十亿分之一米，没有任何金属线能加工到这么细，因此DNA链在制造微小电子元件方面具有独特的优势。虽然科学家们刚刚开始探索在分子机器中创造人工智能，但它的潜力是不可否认的。就像100年来电子计算机和智能手机让人类变得更有能力一样，在未来的100年里，人工分子机器可以让所有由分子构成的东西——可能包括油漆和绷带——更得力，对环境的反应也更灵敏。

成本便宜99%

而使用肌蛋白计算机，只需花上数分钟刻出运算所需的专用回路，再向其注入肌蛋白，数分钟就能解决这些问题。简而言之，在肌蛋白计算机中，计算的复杂性体现在整个回路中计算因子的数量上，而不是执行运算的时间。由于蛋白质普遍存在于自然界，这令整套设备的成本大幅降低，更何况它还具备节能优势。蛋白质的可动性由肌球蛋白保障，后者相当于肌动蛋白微丝的传送带。这些微小分子的运动是通过将化学能转换为机械能实现的。在生物体内，肌球蛋白和肌动蛋白对于肌肉的收缩起着尤为关键的作用。为了给遵循相同机制运作的生物计算机补充能量，研究人员在蛋白质溶液中加入了ATP（三磷酸腺苷），也就是为生物体新陈代谢提供所需能量的有机分子。ATP的使用将大幅降低能耗。据估计，肌蛋白计算机中每平方毫米回路的耗能只有0.25毫瓦，仅为一个普通多核处理器能耗的1/2000 ！

肌蛋白计算机不仅能耗低，而且其主要材料蛋白质也谈不上有什么成本。在制造工艺简化后，原先耗费高昂的芯片融合、真空腔体和电路调整等工序也不再是必须的了——与硅基电路相比，肌蛋白计算机的成本有望降低99%。而这还不是用生物分子替代传统电子元件的首个案例——以DNA为基础的生物计算概念早已形成，但肌蛋白计算机的出现，无疑给世人点燃了一盏寻求硅基计算替代物的新明灯。

完全取代电子元件？

有朝一日，电子元件会被完全替代吗？言之过早。目前的生物计算机还十分简陋，要克服眼下的一堆技术困难，没个十几年时间是不行的。这些生物计算机不会取代电子设备，即便它们更擅长应付某些问题，但反之亦然。至少目前而言，它们是为处理特定问题而专门设计的，并不适用于解决普通问题。然而兴许在不远的将来，就会有那么一些以硅和有机物共同组成的混合式超级计算机，作为生命与电子元件联姻的最佳代表呈现在我们面前。

生物计算机技术一旦成熟，可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。与传统电子计算机的顺序线性处理模式不同，生物计算机具有并行计算的能力，因此能够更加高效地解决复杂的平行问题，这对于计算量巨大的密码学与数学优化领域大有帮助。不仅如此，而且与动辄需要占用几层楼的超级计算机相比，一本书的大小实在是太迷你了。美国、日本、德国和俄罗斯的科学家都在积极推进生物芯片的开发研究。不过，研究人员认为，目前生物计算还存在一些运行上的障碍，如大规模操作的困难、非特异性吸附及复制过程出现错误的容错能力较差等问题。因此，生物计算机的发展可能还需要经过一个比较漫长的过程。