Ученые Университета Глазго создали химический компьютер — программируемую вычислительную систему на основе реакции Белоусова-Жаботинского для решения задач комбинаторной оптимизации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Реакцией Белоусова-Жаботинского называют целый класс химических реакций, в которых некоторые параметры, такие как цвет, концентрация компонентов, температуры и другие, изменяются в колебательном режиме. Изменения могут быть регулярно периодическими либо иметь вероятностную природу и становится хаотическими. Системы, в основе которых лежат эти реакции, иногда демонстрируют сложное поведение, напоминающее таковое у живых организмов.
В разработанной учеными новой системе концентрации реагентов служит основной для двоичной системы: низкие концентрации соответствуют «0», а высокие — «1». Колеблющиеся концентрации могут служить переменными, зависящими от времени. Информация также может передаваться между отдельными ячейками с протекающими реакциями Белоусова-Жаботинского внутри через диффузию.
Ядро химического процессора представляет собой распечатанную на 3D-принтере сетку взаимосвязанных ячеек-реакторов. Передача данных в процессов осуществляется посредством магнитных мешалок, способных управлять реакциями. Также предусмотрены мешалки, облегчающие взаимодействие между соседними ячейками, что позволяет синхронизировать колебания. Обработка выходных данных включает в себя два ключевых компонента: сверточную нейронную сеть (CNN) и детерминированный конечный распознаватель (RFSM). Эти компоненты анализируют концентрации реагентов и продуктов реакции, которые фиксируются видеокамерами.
Процессор был использован для реализации клеточных автоматов — математических систем для моделирования сложных систем, состоящих из простых компонентов, локально взаимодействующих друг с другом по заранее определенным правилам. Оказалось, что некоторые ячейки объединяются в системы, демонстрирующих репликацию и конкуренцию подобно живым организмам. Кроме того, процессор способен эффективно решать задачу коммивояжера, заключающуюся в поиске самого выгодного маршрута, проходящего через указанные точки.