Sfruttando la natura probabilistica intrinseca delle reazioni BZ, il sistema dimostra comportamenti emergenti come la replicazione e la competizione osservati nei sistemi complessi, che ricordano gli organismi viventi. Ciò potrebbe aprire la strada a nuovi approcci alle attività computazionali che sono ostacolate dalle limitazioni imposte dal calcolo moderno.

La combinazione di controllo elettronico e dinamica chimica offre un modo per eseguire calcoli efficienti, combinando il meglio di entrambi verso lo sviluppo di piattaforme informatiche adattive e bio-ispirate con efficienza e scalabilità senza precedenti.

La ricerca condotta dal Prof. Leroy Cronin, Regius Chair of Chemistry presso l'Università di Glasgow, è stata pubblicata su Nature Communications . Il Prof. Cronin ha parlato con Phys.org del loro lavoro e ha dichiarato le motivazioni che lo hanno spinto a perseguirlo.

"Volevo vedere se potevamo creare un nuovo tipo di sistema di elaborazione delle informazioni chimiche poiché sono ispirato dal modo in cui la biologia può elaborare le informazioni nel cervello umido", ha affermato.

Limiti dell'informatica moderna

L'informatica moderna si basa sui transistor, gli elementi costitutivi dei dispositivi elettronici, che vengono utilizzati per creare porte logiche e celle di memoria, che costituiscono la base dei circuiti digitali. Tuttavia, la necessità e la richiesta di maggiore potenza di calcolo fa sì che i transistor diventino sempre più piccoli.

La miniaturizzazione dei transistor presenta diverse limitazioni dovute ai vincoli imposti dalle fabbricazioni e dalle leggi della fisica. Più piccolo è il transistor, più difficile è produrlo e richiede più potenza, dissipa più calore ed è sempre meno efficiente dal punto di vista energetico.

Ciò ha portato gli scienziati a esplorare altri tipi di calcolo, come il calcolo quantistico, che pur essendo estremamente potente nel risolvere i problemi, i computer classici non possono soffrire di problemi di scalabilità dovuti alla correzione degli errori.

D’altro canto, il calcolo basato su processi fisici, come le reazioni chimiche, utilizza una miscela di sistemi digitali, chimici e ottici. Ciò apre nuove strade per architetture informatiche non convenzionali con capacità che vanno oltre i tradizionali sistemi digitali.

La reazione BZ

La reazione BZ è un classico esempio di oscillatore chimico, in cui le concentrazioni di reagente e prodotto subiscono cambiamenti periodici. Si osserva in molti sistemi chimici, come ambienti di laboratorio e sistemi biologici.

La capacità della reazione BZ di mostrare dinamiche complesse e non lineari la rende una scelta interessante per studiare fenomeni emergenti e paradigmi informatici non convenzionali.

In questa ricerca, la reazione BZ funge da base per un sistema computazionale ibrido grazie al suo comportamento oscillatorio intrinseco, adattabilità e reattività agli stimoli esterni. Sfruttando la dinamica delle reazioni BZ, i ricercatori possono emulare comportamenti complessi osservati nei sistemi naturali, fornendo una piattaforma versatile per il calcolo.

Le concentrazioni possono servire come informazioni binarie (dove 0 indica concentrazioni basse e 1 per concentrazioni elevate) e le concentrazioni oscillanti possono servire come variabili dipendenti dal tempo. Inoltre, le informazioni possono propagarsi tra singole cellule che hanno reazioni BZ attraverso processi come la diffusione.

Il Prof. Cronin ha spiegato inoltre:"La reazione ha due stati:acceso e spento e ciascuna scatola [o cella] nella rete può lampeggiare indipendentemente, in sincronia o dopo la comunicazione. Questo è il processo mediante il quale il sistema può essere programmato per calcolare un problema che viene poi letto dalla fotocamera."

Un processore di informazioni programmabile ibrido

Il nucleo del processore di informazioni è una griglia stampata in 3D di reattori interconnessi. Ogni reattore o cella ospita la reazione BZ, rendendola una serie di reazioni BZ.

L'ingresso a questa matrice è elettronico ed è controllato da agitatori magnetici in grado di manipolare la reazione all'interno di queste celle. Esistono anche agitatori interfacciali in grado di facilitare le interazioni tra cellule accoppiate (tramite diffusione), questo aiuta a sincronizzare le oscillazioni.

I ricercatori hanno osservato che le oscillazioni delle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti si verificano come oscillazioni smorzate forzatamente, con gli agitatori che svolgono un ruolo cruciale nel controllarle.

Questo comportamento è una caratteristica delle reazioni BZ, in cui le specie chimiche subiscono cambiamenti periodici di concentrazione nel tempo. Questi cambiamenti si notano dai cambiamenti nel colore dei liquidi.

L'elaborazione dell'output coinvolge due componenti chiave:una rete neurale convoluzionale (CNN) e una macchina a stati finiti di riconoscimento (rfsm). Questi componenti analizzano le concentrazioni di reagenti e prodotti all'interno della reazione BZ, che vengono catturate utilizzando videocamere.

La CNN classifica le concentrazioni in stati chimici discreti, mentre l'rfsm determina lo stato chimico corrispondente in base a questa classificazione.

In termini semplici, gli stati chimici discreti vengono classificati e determinati in base alle concentrazioni di reagenti e prodotti all'interno della reazione BZ, che sono esse stesse probabilistiche a causa della natura delle reazioni.

La natura probabilistica deriva dal fatto che la reazione BZ non è lineare, risultando in interazioni complesse tra specie chimiche che mostrano variabilità intrinseca e imprevedibilità nel loro comportamento nel tempo.

L'intero sistema funziona in modo fluido e continuo sulla base di un ciclo di feedback basato sui cambiamenti di colore del liquido. Quando le concentrazioni oscillano il sistema è "acceso" indicato dai colori blu e quando mancano le oscillazioni i liquidi sono rossi, significando che il sistema è "spento".

Questo ciclo manipola gli agitatori in base ai colori, garantendo che il processo sia continuo con l'aiuto di un controllo "forzato" o esterno.

Automi cellulari chimici e risoluzione di problemi di ottimizzazione

I ricercatori hanno utilizzato il processore ibrido per mostrare la sua capacità computazionale implementando automi chimici cellulari (CCA) in 1D e 2D.

Si tratta di modelli matematici per simulare sistemi complessi composti da componenti semplici che interagiscono localmente tra loro secondo regole predefinite.

Ciò porta a comportamenti emergenti come la replicazione e la competizione esibiti dai "Chemits", che sono entità multicellulari definite da modelli di concentrazioni chimiche all'interno della griglia di reattori interconnessi che ospitano la reazione BZ.

Questi comportamenti assomigliano a quelli osservati negli organismi viventi e contribuiscono alla complessità e all'adattabilità del sistema computazionale.

Inoltre, i ricercatori dimostrano che il loro approccio computazionale, che incorpora componenti sia elettronici che chimici, può affrontare in modo efficiente le sfide dell'ottimizzazione combinatoria, come il problema del commesso viaggiatore.

Dal punto di vista applicativo, i sistemi ibridi come questi potrebbero essere molto utili per attività di deep learning che richiedono un comportamento non lineare. I sistemi chimici offrono intrinsecamente tali caratteristiche, rendendo le architetture di calcolo ibrido efficienti in termini di risorse per problemi specifici in cui le non linearità e il comportamento probabilistico sono vitali.

Il Prof. Cornin ha aggiunto:"Vedo che una versione a stato solido potrebbe sostituire l'hardware di intelligenza artificiale ed essere addestrata molto più facilmente."

In futuro, desidera esplorare la miniaturizzazione di questa tecnologia e aumentare le dimensioni della griglia per risolvere problemi veramente grandi.