De DNA-chip

Het organische molecuul DNA bezit eigenschappen die van functioneel nut kunnen zijn in een chip. Allereerst is DNA een groot molecuul dat veel informatie op een klein oppervlak bij zich draagt. Verder worden de mechanismen om DNA te laten functioneren steeds beter begrepen. Tenslotte is DNA zo klein dat een chip die rekent via DNA van vele moleculen tegelijk gebruik maken terwijl de chip klein kan blijven.

Omdat in theorie gebruik kan worden gemaakt van vele miljoen moleculen ligt de toepassing van mogelijke DNA-chips bij problemen die vele verschillende oplossingen kennen. Zoals de encryptologie, het versleutelen van boodschappen met behulp van codes.

Een ander voorbeeld van een toepassing is het handelsreizigersprobleem. Dat is het bepalen van de kortste route van plaats A naar plaats B waarbij de tussenliggende steden niet meer dan één keer mogen worden aangedaan. Voor zeven plaatsen of minder is het probleem makkelijk op papier of met een pc op te lossen. Als het aantal plaatsen groter wordt, stijgt de benodigde rekentijd exponentieel. De hoogleraar Leonard Adleman van de universiteit van Zuid-Californië demonstreerde dat het handelsreizigerprobleem op te lossen is met behulp van DNA-schakelingen.

Adleman nam voor elke stad een unieke DNA-code van 20 tekens. De routes tussen de steden simuleerde hij met stukken DNA die, net als dominostenen, alleen op de uiteinden van bepaalde strengen waren te koppelen. Adleman mengde vervolgens miljoenen kopieën van de unieke DNA-codes, zodat verbindingen ontstonden. In feite verbindingen tussen steden want iedere stad had een uniek code. Er ontstonden dus DNA-strengen die niets anders betekenden dan ’van A naar B via C etc. Ook de snelste oplossing zat erbij.

Met standaardtechnieken uit de moleculaire biologie wist Adleman alle routes met de gewenste lengte uit de reageerbuis te halen. Vervolgens werden alle routes waarin een code werd herhaald (routes waarin een stad twee keer werd bezocht) uit de buis gehaald. De overgebleven codes vormden het antwoord op het handelsreizigersprobleem. Adleman geeft toe dat zijn methode voorlopig nog enorm veel tijd kost.

De kwantumcomputer

De race naar snellere chips wordt voornamelijk gestuurd door pogingen chips kleiner te maken. Hoe kleiner de individuele schakelaars (transistoren en relais) hoe meer er in een processor passen. Meer schakelingen betekent een grotere capaciteit, maar ook een snellere processor. Componenten die dicht op elkaar zitten verliezen minder tijd bij het doorgeven van informatie in de vorm van elektrische stroom.

Maar de grenzen van het niveau waarop een elektrische stroom zich nog volgens de klassieke elektrodynamica gedraagt, komen rap in zicht. Laboratoria in de hele wereld experimenteren daarom met het idee gebruik te maken van de kwantummechanica om berekeningen uit te voeren. De kwantummechanica bestudeert het gedrag van subatomaire deeltjes zoals elektronen in de schil van een atoom.

Elektronen rond de kern van atoom draaien op twee mogelijke manieren rond hun as; dit noemt met opgaande en neergaande spin. In principe is dat gegeven te gebruiken om informatie mee door te geven, net als de 1 en 0 schakelaars in een klassieke computer. Maar daarvoor moet de spin onder controle worden gebracht. En daar beginnen de problemen.

Eén van de regels in de kwantummechanica is dat een meting de eigenschappen van een subatomair deeltje beïnvloedt. In welke toestand een elektron zich bevindt, wordt bepaald op het moment van meten. Op alle andere momenten is de positie en de richting van de spin onbekend. Dat betekent dat in een gegeven situatie een elektron zich ergens tussen de opgaande spin (1) en neergaande spin (0) bevindt. Deze informatie-eenheid in een kwantumcomputer wordt een qubit genoemd. Theoretisch is het zo dat zolang de toestand van een elektron niet wordt gemeten het aantal posities dat het kan aannemen oneindig groot is.

Met dat gegeven is een kwantumcomputer te maken want een andere kwantummechanische regel zegt dat qubits door interferentie met elkaar in verbinding staan. Een verandering in één qubit geeft dan een reactie in een andere. De geschakelde qubits zouden zo oneindig veel berekeningen tegelijk moeten kunnen uitvoeren. Slimme rekenmethodes moeten worden ingezet om de qubits aan te sturen.

Her en der in de wereld is het gelukt met enkele qubits eenvoudige berekeningen uit te voeren. Maar tussen de theorie en de grootschalige praktische toepassing van qubits gaapt een enorm gat. Zo zijn de kwantumeenheden zeer gevoelig voor storing van buitenaf. Botsingen tussen moleculen, straling of een lichtdeeltje werken als een ‘meting’, en de qubit neemt een positie aan en er gaat rekencapaciteit verloren.

De kans dat huis- tuin en keukenapparaten snel met kwantum- of DNA-computers zullen worden bestuurd, is erg klein. De ‘nieuwe’ supercomputers zullen, als ze er al komen, worden ingezet voor grote rekenopdrachten zoals in klimaatmodellen, in de astronomie en bij het beveiligen van digitale codering.