Zukunft des. Computers

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1 aturwissenschaftliches Eine Reise in die Zukunft des omputers aroline Fetzer

2 aturwissenschaftliches Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Datenspeicherung heute und in der Zukunft 2.1 Die Grenzen der heutigen Datenspeicherung 2.2 Ideen für die Zukunft Die anotechnologie Die atomare Datenspeicherung 2.2. Der Quantencomputer Der Bacteriorhodopsin-omputer. Der DA-omputer.1 Die Funktionsweise des DA-omputers.2 Die DA.2.1 Der genetische ode.2.2 Die Eignung der DA für einen omputer. Der DA-omputer in der Theorie..1 Der hamiltonsche Pfad..1.1 Erklärung..1.2 Die hamiltonsche Aufgabe auf dem DA- omputer..1. Der Lösungsweg des DA-omputers..1.4 Das Aussortieren der richtigen Lösungen..2 Programme für den DA-omputer..2.1 Ein erstes Programm in DA-PASAL..2.2 Die Vorarbeit..2. Das Programm.4 Der DA-omputer in der Praxis.4.1 Das Stickermodell.4.2 Die Reagenzgläser des DA-omputers Tubes.4. Datenaustausch. Der Prototype des DA-omputers 4. Weitere Experimente auf dem DA-omputer..1 Der fleißige Biber..2 Ein Assoziativspeicher.7 Warum wird der DA-omputer noch nicht gebaut? 4. Schlusswort 2 P

3 aturwissenschaftliches 2 1. Einleitung Elektronische Rechentechnik hat in den zurückliegenden Jahrzehnten Technik, Wirtschaft, Wissenschaft und Alltag stark verändert. Sie löste eine Welle der Automatisierung und Beschleunigung vieler Arbeitsläufe aus. In einer Reihe von anspruchsvollen Anwendungsgebieten dominiert der Einsatz von Supercomputern *. Integrationsgrad *, Rechengeschwindigkeit und Speicherkapazität elektronischer omputer konnten wesentlich gesteigert werden, indem die hardwareseitige Leistungsfähigkeit kontinuierlich erhöht wurde. Trotz der Fortschritte ist bereits heute absehbar, dass Leistungsparameter elektronischer Rechentechnik wie beispielsweise Taktfrequenz * und Speicherdichte mit herkömmlicher Technik nicht beliebig erhöht werden können. 4 2 P

4 aturwissenschaftliches 2. Datenspeicherung heute und in der Zukunft 2.1 Die Grenzen der heutigen Datenspeicherung Die fortschreitende Digitalisierung der Welt erweckt einen zunehmenden Bedarf an digitaler Daten- und Informationsspeicherung. Die achfrage an Speicherkapazität wächst. Zum Beispiel hat die digitale Aufzeichnung von Röntgenaufnahmen in der medizinischen Diagnostik ein riesiges Datenaufkommen zur Folge. Eine vollständige Thorax-Aufnahme (Brustkorb) umfasst beispielsweise eine Datenmenge von 10 MB (10 Millionen Byte). Weltweit fallen in der medizinischen Diagnostik etwa 10 Petabyte an Daten pro Jahr an. (1 Billiarde Byte = 10 1 ) Würden diese Daten auf ompact Disc gespeichert, ergäben die dazu notwendigen mehr als 10 Millionen Ds aufeinander gelegt, eine Gesamthöhe von 10 km und ein Gewicht von über 10 Tonnen. Solche riesigen Datenmengen fallen auch bei Banken, Verwaltungen, Versicherungen etc. an und werden noch weit übertroffen vom Speicherbedarf der Audio- und Videoanwendungen. Um solch enorme Datenmengen digital unterbringen zu können, bedarf es einer deutlichen Steigerung der Speicherdichte bei gleichzeitiger Reduzierung der erstellungskosten. 4 2 P

5 aturwissenschaftliches 4 (Abb. 1: Die Entwicklung der Bits in den letzten 10 Jahren) In den letzten Jahre schaffte es die Industrie, das Speichervermögen der magnetischen Datenspeicher etwa alle zwei Jahre zu verdoppeln. Doch man weiß schon heute, dass dies in einem solchen Maße noch maximal zehn Jahre lang möglich sein wird. Dann stößt die bisherige Speichertechnik an ihre technischen und physikalischen Grenzen. Die immer kleiner werdenden Strukturen führen zu immer schwächeren Signalen, welche von immer empfindlicheren Leseköpfen aufgenommen werden müssen euartige und hochempfindliche Magnetosensoren werden benötigt. Jedoch ist das Problem der Leseköpfe nicht das einzige, das es zu überwinden gilt. Sobald die Speicherdichte steigt muss die Genauigkeit der Adressierung, sowie Einstellbarkeit und Geschwindigkeit der Leseköpfe auch verbessert werden. Auch hier wird an einem neuen Konzept gearbeitet, dem MRAM. 4 2 P

6 aturwissenschaftliches Doch eines der größten und bis jetzt schwierigsten zu überwindenden Probleme ist rein physikalisch begründet. Die atur des Magnetismus selbst beinhaltet eine Austauschwechselwirkung, in der sich magnetische Momente parallel ausrichten und so genannte permanente Magnete entstehen. Wenn zwei gleichgepolte Bits zu dicht nebeneinander gesetzt werden stoßen sie sich ab und es entstehen Störungen, so genannte Domänenwände (Übergangsbereiche)in denen die beiden Magnetfelder ineinander verschwimmen. iermit lässt sich begründen, warum die Bits nicht unendlich kleiner werden können. Irgendwann würde man die Daten nicht mehr klar auslesen können. 2.2 Ideen für die Zukunft Deswegen beschäftigt sich die Wissenschaft intensiv mit einigen Techniken, die nicht nur das Problem der Miniaturisierung lösen sollen, sondern auch andere, wie z.b. das des Energieverbrauchs und des Verschleißes unserer Siliziumhardware. Viele verschiedene Lösungen wurden in den letzten zehn Jahren aufgezeigt und alle fallen in den Bereich der anotechnologie. 4 2 P

7 aturwissenschaftliches Die anotechnologie Die anotechnologie (griech. nãnnos = Zwerg) ist ein Sammelbegriff für eine breite Auswahl von Technologien, die sich der Erforschung, Bearbeitung und Produktion von Gegenständen und Strukturen widmen, die kleiner als 100 anometer sind. Ein anometer ist ein Millionstel Millimeter und kann etwa 1 bis Atome umfassen. Der sogenannte anokosmos (die Welt des ano) umfasst die vielfältigsten Bereiche der Physik, hemie und Biologie. Doch in der anotechnologie verschwimmen die aturwissenschaften weitesgehend ineinander. Sobald man sich mit der Welt der Atome beschäftigen möchte, müssen physikalische Vorgänge, chemische Zusammensätze und biologische Entwicklungen berücksichtigt werden, ohne die der anokosmos ewig eine Rätsel bleiben würde. anomaterialien werden heute längst in einigen Bereichen der Medizin (Diagnostik und Therapie) verwendet. Auch in der ptoelektronik und albleiterelektronik (z.b. bei Lasern), sowie in der Lebensmittelforschung, werden diese winzigen Materialen genutzt. estlé beispielsweise arbeitet mit nanotechnologisch veränderten Lebensmitteln, um Geschmack, Farbe und andere Eigenschaften ihrer Produkte designen zu können. Auch alle möglichen alltäglichen Gegenständen wie Sonnenschutzcreme, Autolack, Fleckenschutz oder Knitterschutz werden längst mit anotechnologie verbessert. Und natürlich findet man sie auch im Bereich der omputerentwicklung wieder. Doch trotz bereits etlicher anoprodukte ist der anokosmos noch kaum erforscht und die Reise in eine anozukunft geht weiter... 4 Auch bei der Suche nach Lösungen für die Probleme der weiteren Miniaturisierung in der omputertechnik wird auf die anotechnologie zurückgegriffen. 2 P

8 aturwissenschaftliches Die atomare Datenspeicherung Eine mögliche Lösung könnte die so genannte atomare Datenspeicherung darstellen. Bei dieser Technik wird das alte Prinzip Daten magnetisch zu speichern und zu lesen beibehalten und auf atomare Ebenen übertragen. In Zukunft könnte sich damit hinter einem Bit eventuell nur noch ein Atom verbergen, das aufgrund seiner Spineigenschaften * und einem neuartigen Lesekopf genauso gepolt werden kann wie alle heutigen Bits. Der Vorteil dieser Idee wäre vor allem die enorme Speicherdichte und Speicherkapazität. Wenn diese Technik sich durchsetzt, würde dies bedeuten, dass später auf einem ano-omputerchip von der Größe einer Briefmarke die gesamte Weltliteratur Platz finden könnte Der Quantencomputer Zu einer komplett neuen Technik gehört der Quantencomputer. Seine Quantenbits oder auch Qubits können nicht nur die Zustände 1 und 0 einnehmen, sondern auch in der Überlagerung beider existieren. Man kann in einen Quantencomputer eine Überlagerung verschiedener Daten eingeben, mit denen er rechnet. Das heißt er bearbeitet alle Daten gleichzeitig. Jedoch ist das Bauen eines Quantencomputers aufgrund des Problems der Dekohärenz * schwierig. Wird nämlich die Überlagerung der Qubits gegenüber der Umgebung nicht sorgfältig abgeschirmt, treten die Qubits mit ihr in eine Wechselwirkung und die Überlagerung fällt in sich 4 zusammen. 2 P

9 aturwissenschaftliches 8 Das macht auch das Messen der Bitzustände sehr schwierig, denn sobald eine Messung an dieser so genannten Superposition beider Zustände vorgenommen wird, bricht sie in sich zusammen und nur noch ein einziger Zustand verbleibt. Welcher das ist, legt die Wahrscheinlichkeitsamplitude der Zustände fest. Beide Zustände besitzen eine unterschiedliche Wahrscheinlichkeitsamplitude, wobei die höhere den letztlich übrig bleibenden Zustand bestimmt. Vor der Entwicklung von Quantencomputern gab es schon andere Ideen zur Übertragung von Quanten*. Die jüngste Entwicklung ist der experimentelle achweis der Teleportation, des Erscheinens einer Kopie eines Quantenteilchens an einer anderen Stelle des Raums. Anton Zeilinger gelang dies erstmals. Jedoch lässt sich diese Technik noch nicht sinnvoll anwenden. Der Quantencomputer sollte eigentlich Anwendern zur Verfügung stehen. Gelänge es den Forschern endlich den Quantencomputer zu realisieren, wäre der Vorteil einer hohen Rechengeschwindigkeit gegenüber unseres heutigen omputers enorm. Das Entschlüsseln noch so komplizierter Geheimcodes bei einem trotzdem sehr niedrigen Energieverbrauch wäre z.b. problemlos möglich. 4 2 P

10 aturwissenschaftliches Der Bacteriorhodopsin-omputer Auch im Bereich der Biochemie sind Ideen für zukünftige omputertechnologien entwickelt worden. Zur Zeit werden hier zwei Modelle favorisiert. Das erste Modell, der sogenannte Bacteriorhodopsin-omputer, nutzt das Prinzip der Photosynthese. Bacteriorhodopsin ist ein natürlicher Farbstoff, der das Licht der Sonne aufnimmt. Dabei durchläuft es eine Folge struktureller Veränderungen, die zum Verschlüsseln von Informationen genutzt werden können. Jedem beliebigen Paar länger beständiger Strukturen lassen sich die Binärzahlen 0 und 1 zuordnen. Man kann also Informationen in den Bacteriorhodopsin-Molekülen speichern, indem diese eine Folge von dem einen und/oder dem anderen Zustand bilden. Robert Birge entwickelte einen solchen Bacteriorhodopsin- Speicher. Er brach alle Geschwindigkeitsrekorde heutiger elektronischer omputer. Der so genannte birgische Speicher ist ein räumlicher Speicher, in dem Daten parallel geschrieben und gelesen werden. In einem birgischen Speicher kann ein Speicherbaustein aus mehreren Datenwürfeln bestehen. 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. Damit wäre der birgische omputer deutlich schneller als alle heute existierenden. 4 Das zweite biologische Modell ist der sogenannte DA-omputer... 2 P

11 aturwissenschaftliches 10. Der DA-omputer Die utzung des Erbmoleküls DA als Speichermedium bildet ein neues Wissengebiet - das DA-omputing. Das DA-omputing etablierte sich mittlerweile zu einem interdisziplinären Fachgebiet, in dem der Kenntnisstand sich in den letzten Jahren vervielfachte. Bereits heute bestehende omputer werden immer lebensähnlicher. Sie imitieren natürliche Zellen, die Evolution oder sogar das Gehirn. Die Informationsverarbeitung durch DA- omputer bedeutet, noch einen Schritt weiter zu gehen: Ein zentrales Element biologischen Lebens wird dazu gebracht, wie ein omputer zu funktionieren..1 Die Funktionsweise des DA-omputers Die Funktionsweise des DA-omputers ist ähnlich der des elektronischen omputers. Biomoleküle bilden die einzelnen Rechnerbausteine. Das wichtigste Biomolekül bildet natürlich das DA-Molekül, aus dem sowohl die Ein- als auch die Ausgabe bestehen. Das DA-Molekül besteht aus vier Basen (Adenin, Guanin, ytosin und Thymin), welche die Verschlüsselung der Informationen ermöglichen. iermit besitzt der DA-omputer vier Zustände statt nur zwei, wie der elektronische omputer (0 und 1). 4 2 P

12 aturwissenschaftliches 11 Ein grundlegender Unterschied in der Arbeitsweise des DA- omputers zu dem des elektronischen omputers ist jedoch, dass der elektronische omputer meist linear arbeitet. Das heißt er verändert einen Datenblock nach dem anderen. Beim DA- omputer laufen die biochemischen Reaktionen alle parallel ab. Ein einziger Schritt einer biochemischen peration kann Auswirkungen auf Billionen von DA-Molekülen in einem Reagenzglas haben, sodass etwa 10 Billionen Berechnungen zur gleichen Zeit ablaufen können. Allerdings sind viele der benötigten biochemischen Reaktionen zurzeit noch störanfällig und außerdem langsamer, als sie eigentlich sein könnten. Die Berechnungen finden im wesentlichen in Reagenzgläsern statt. Dieses Verfahren wird als in vitro bezeichnet, während Berechungen in lebendigen Zellen als in vivo bezeichnet werden. Das Ziel der Forscher ist es, mit der biochemischen Datenverarbeitung Rechenvorgänge in größeren Mengen, schneller und auf engerem Raum zu bewerkstelligen..2 Die DA Die DA (desoxyribonucleic acid) oder auch DS (Desoxiribonucleinsäure) findet sich in jeder unserer Zellen wieder. Insgesamt befinden sich im menschlichen Körper ca. 00g DA. Das klingt, als wäre es eine geringe Menge. Wenn man jedoch berücksichtigt, dass sich Gramm DA aus DA-Basen zusammensetzt, die den ungefähren Speicherwert von Bytes haben (entspricht etwa Petabyte* also 10 Millionen 4 Terabyte*), merkt man welch enorme Menge an Informationen die DA in kleinstem Format speichern können. 2 P

13 aturwissenschaftliches 12 Die DA bildet sozusagen das Betriebssystem der Zelle, das die Zellfunktionen steuert und koordiniert. Sie sind auch die Träger der genetischen Informationen. Die DA befindet sich spiralförmig aufgewickelt in den hromosomen*, die sich wiederum im Zellkern befinden. rganellen, welche die Aufgaben der Zelle erledigen Kern, in dem sich die hromosomen befinden Zytoplasma (Abb. 2: ein hromosom) (Abb. : eine menschliche Körperzelle) DA-Stränge bestehen aus großen Molekülen, die wie eine verdrehte Strickleiter aussehen. Zwei lange Ketten aus ukleotiden* bilden eine Doppelhelix*, bei der jedes ukleotid aus einem Phosphat, einem Zucker und einer der vier ukleinbasen (Adenin, Guanin, ytosin und Thymin) besteht. 4 (Abb. 4: die DA in ihren verschieden Darstellungen) 2 P

14 aturwissenschaftliches 1 Abwechselnde Zucker- und Phosphormoleküle bilden die Seitenteile, die durch Phosphodiesterbrücken* miteinander verbunden sind. Die Sprossen der Doppelhelix bilden Basenpaare. Jeweils zwei Basen verbinden sich unter bestimmten Regeln zu einem Basenpaar: Adenin verbindet sich nur mit Thymin, und Guanin nur mit ytosin. (Abb. : die chemische Verbindung von Adenin und Thymin bzw. Guanin und ytosin) Diese vier ukleinbasen verschlüsseln die Informationen für alle von der Zelle gebildeten Enzyme* und Strukturproteine*. Die DA- kann sich beliebig oft selbst exakt kopieren und somit benötigte Informationen unbegrenzt vervielfältigen..2.1 Der genetische ode Der genetische ode ist vergleichbar mit einer Sprache, deren Alphabet aus den vier Anfangsbuchstaben der ukleinbasen besteht (A, T, G, ). Die Reihenfolge, in der die vier Symbole innerhalb der DS angeordnet sind, stellt ein Wort der genetischen Sprache dar, nach deren Bedeutung bestimmte Eigenschaften einer Zelle oder eines rganismus entstehen. 4 Aus diesen vier Zeichen des Alphabets entsteht auch ein odesystem, mit dem die Struktur eines jeden von der Zelle gebildeten Proteins verschlüsselt werden kann. 2 P

15 aturwissenschaftliches 14 Proteine sind Makromoleküle, die mengenmäßig den größten Anteil aller rganischen Verbindungen im Zytoplasma (s. Abb. ) darstellen. Sie besitzen multiple Funktionen als Gerüstsubstanzen(Keratine) in orn, aaren und Federn, als Biokatalysatoren (Enzyme), sowie ormone und Reservestoffe. Sie bestehen aus bis zu 22 verschiedenen Aminosäuren und aus mindesten 100 Aminosäuren. Im Durchschnitt hat jedes Protein etwa 200 Aminosäuren. Eine Aminosäure besteht aus drei ukleotiden, dabei gibt es 4³ = 4 mögliche Anordnungen dreier ukleotide. Im DA-Molekül codiert dann je eine Gruppe von drei aufeinander folgenden Basen eine Aminosäure. Ein solches Basentriplett bildet eine odierungseinheit. Da ein DA-Molekül unvorstellbar viele Basenpaare enthält, Bakterien beispielsweise 1, x 10 bis 4, x 10, ist die Zahl möglicher Anordnungen der Basenfolgen nahezu unendlich groß. Die für jedes Protein typische Aminosäuresequenz ist in den Genen (in den Folgen der DA- Basen) verschlüsselt: Die aus Basenfolgen bestehende Schrift des DS-Moleküls entspricht der Aminosäuresequenz des Proteinmoleküls. Der Mensch hat 4 hromosomen, die aus einer noch unbekannten Zahl von DA-Molekülen bestehen. Zusammen besitzen sie auf jeden Fall mehr als 110 Mononukleotide. Da ein Protein nun im Durchschnitt etwa 200 Aminosäuren besitzt, die sich aus drei ukleotiden zusammensetzen, ergibt sich, dass zur odierung eines Proteins etwa 00 ukleotide benötigt werden. Mit dem menschlichen hromosomensatz können somit auch mehr als 4 10hoch verschiedene Proteine gebildet werden. Der genetische ode der DA speichert alle Informationen, welche die Eigenschaften unseres Körpers und all unserer Zellen bestimmen. 2 P

16 aturwissenschaftliches Die Eignung der DA für einen omputer Der genetische ode zeigt, dass die DA hervorragend dafür geeignet ist, Informationen zu speichern. Was jedoch lässt die DA geeignet erscheinen, mit ihr einen kompletten omputer zu entwickeln, der weitestgehend wie unsere heutigen elektronischen omputer arbeiten soll? (Auszug aus dem Buch "Rechnen mit DA - eine Einführung in Theorie und Praxis" von Th. inze und M. Sturm) Eigenschaften von DA-Strängen: - DA-Stränge sind im Vergleich zu herkömmlichen Speichermedien sehr klein und durch ihre gewundene Struktur sehr kompakt. DA erlaubt eine Speicherdichte von bis zu Basenpaaren pro Liter, das entspricht etwa 1 Bit pro nm³ - DA-Stränge sind unter geeigneten Bedingungen beliebig lange konservierbar. Durch die Langlebigkeit eignet sich DS somit auch als persistentes Speichermedium - DA-Stränge können auch außerhalb von Zellen verarbeitet und aufbewahrt werden. Dies ermöglicht ein effizientes in-vitro-andling im Labor. - DA-Stränge lassen sich leicht millionenfach kopieren und auf mehrere Reagenzgläser verteilen. Auf diese Weise ist eine redundante, dezentrale, verlustsichere Informationsspeicherung möglich - DA-Stränge können sehr energieeffizient verarbeitet werden ( 2 * molekulare perationen pro Joule) 4 2 P

17 aturwissenschaftliches 1 - DA-Stränge sind richtungsbehaftet, was die Kodierung und Dekodierung von Daten in DA-Sequenzen erleichtert und die Modellierung von DA-Strängen durch Zeichenketten erlaubt - DA-Stränge sind elektrisch negativ geladen, wodurch elektrophoretische* Analysemethoden anwendbar sind - Die Enden von DA-Strängen können chemisch markiert werden, indem dort geeignete chemische Gruppen oder Molekühle angelagert oder abgebaut werden. Dies erleichtert die Selektion und Separation von DA-Strängen - Einfache Fehler in der DA-Struktur (wie beispielsweise Strangbrüche) können unter geeigneten Bedingungen in bestimmten Umfang effizient behoben werden. ierdurch ist eine begrenzte Reparaturfähigkeit von DS gegeben. - DA-Stränge lassen sich unter Verwendung einer Vielzahl spezifisch wirkender Enzyme rekombinieren (verarbeiten), wodurch ein großes Spektrum an molekularbiologischen Prozessen existiert. - Sowohl die Synthese als auch die Sequenzbestimmung von DA-Einzelsträngen sind möglich. Es existiert somit ein Instrument zur Kodierung und Visualisierung von DS-Daten 4 - DA-Stränge sind in hohem Maße recyclefähig und wieder verwendbar. Dadurch wird eine umweltfreundliche und verschleißfreie Informationsverarbeitung und Speicherung erreicht. 2 P

18 aturwissenschaftliches 17. Der DA-omputer in der Theorie Der erste theoretische und auch in der Praxis funktionierende DA-omputer wurde von Leonard M. Adleman (geb.194) entwickelt und verwirklicht. Adleman präsentierte im Jahre 1977 mit seinen Kollegen Ron Rivest und Adi Shamir ein damals neues Verschlüsselungsverfahren, genannt RSA-Verfahren, welches heute in sehr vielen Bereichen Verwendung findet. Der adlemansche DA-omputer nutzte Informationen aus den verschlüsselten Folgen der DA-Basen, veränderte und entschlüsselte sie, um Rechnungen durchzuführen. Adleman nahm sich unter anderem vor, den sogenannten hamiltonschen Pfad mit der DA zu lösen. Dazu mixte er noch mit der Pinzette in der and die einzelnen DA-Stränge. Aus deren Reaktion miteinander und einer speziellen Dekodierungsmethode versuchte er eine Lösung für diese Aufgabe zu entnehmen...1 Der hamiltonsche Pfad Erklärung Der hamiltonsche Pfad ist eine von William Rowan amilton (180-18) erstmals erdachte Aufgabe aus dem Jahre 187. Es werden eine Reihe von Städten vorgegeben, die alle genau einmal zu befahren sind. Dabei ist es nicht immer möglich, von jeder beliebigen Stadt zu einer anderen zu kommen. Bestimmte Flugrouten zwischen zwei Städten werden im Voraus festgelegt. 4 Zusätzlich wird in der Aufgabe berücksichtigt, welcher der möglichen Wege der kürzeste und billigste ist. 2 P

19 aturwissenschaftliches 18 (Abb. : eine Skizze des hamiltonschen Pfaden mit 12 Städten) Bei vier oder fünf Städten ist diese Aufgabe noch leicht auf einem Blatt Papier zu lösen. Doch schon ein paar Städte mehr machen diese Aufgabe ohne omputer unlösbar, wenn man den Zeitraum für die Lösung begrenzt. Da es heutzutage noch keinen Algorithmus für dieses Problem gibt, muss der omputer probieren, d.h. alle möglichen Lösungen aufstellen und auf ihre Richtigkeit überprüfen. Da das Probieren sehr viel Zeit beansprucht, ist die Aufgabe für seriell arbeitende omputer (zum Beispiel der elektronische omputer) in einem angemessenen Zeitraum auch unlösbar. Um eine Lösung für einen hamiltonschen Pfad mit 100 Städten zu finden, benötigte ein seriell arbeitender omputer aus dem Jahre 2000 wesentlich länger als ein Jahr. Ein omputer aus dem Jahr würde dafür vielleicht noch 1, Monate benötigen. 4 2 P

20 aturwissenschaftliches Die hamiltonsche Aufgabe auf dem DA-omputer Die erste hamiltonsche Aufgabe für den DA-omputer beschränkte sich testweise auf sieben Städte ohne weitere Aufgabenzusätze. Adleman legte lediglich fest, wo die Reise beginnen und wo sie enden sollte. Er bestellte 21 Reagenzgläser mit einzelsträngiger DA, ein Reagenzglas für jede Stadt und vierzehn für die Routen, die er vorher bestimmt hatte. Edinburgh Berlin Detroit Graz Athen Frankfurt hicago (Abb. 7: die erste hamiltonsche Aufgabe für den DA-omputer mit 7 Städten und 14 Routen) Die Gläser durften keinerlei Kontakt miteinander haben. un nahm Adleman von jedem Reagenzglas ein DA-Körnchen und gab sie alle einzeln in ein neues, das mit einer wässrigen Lösung gefüllt war. Kurze Zeit später hatte er seine Antwort und die Welt ihren ersten molekularen omputer. Was geschah? Adleman hatte es geschafft den hamiltonschen Pfad der Städte Athen bis Graz mithilfe der Vier-Buchstaben-Stränge zu verschlüsseln und zu entschlüsseln und verwendete dabei eine 4 Billion Kopien jedes von ihm benötigten DA-Moleküls. Sein sogenannter TT100 war jetzt schon schneller, sparsamer und kleiner als sein elektronischer Verwandter. Was genau tat er und vor allem was tat der DA-omputer? 2 P

21 aturwissenschaftliches Der Lösungsweg des DA-omputers atürlich wurden auch hier erst einmal alle möglichen Routen erstellt und dann auf ihre Richtigkeit überprüft. Das funktionierte folgendermaßen: (Es folgt eine Beispiel an vier Städten.) Zuerst erhielt jede Stadt einen sechsstelligen ode, der zufällig aus den vier möglichen Buchstaben erstellt wurde. (Abb. 8: vier Beispiele der insgesamt 7 Städte und wie sie verschlüsselt wurden) Jede mögliche Verbindung zwischen zwei Städten, also jede mögliche Flugroute, erhielt einen ebenso langen ode, der sich aus den drei letzten Endbuchstaben der Startstadt A und den drei ersten Buchstaben der Landestadt B zusammensetzte. (Abb. 9: vier Beispiele der insgesamt 14 Routen und wie sie verschlüsselt wurden) un suchte er für alle Städtecodes einen komplementären ode, um überhaupt eine Reaktion von DA-Strängen zu gewährleisten. 4 (Abb. 10: 4 Beispielsstädte mit komplementärem ode) 2 P

22 aturwissenschaftliches 21 Als weiteren Vorbereitungsschritt vermehrte er jeden komplementären Stadtcode und jeden Routencode um ein vielfaches mithilfe der Polymerase, einem Enzym, das DA reproduziert. Es setzt sich an ein ukleotid der DA und fängt an den Strang "hinabzulaufen". Dadurch werden bestimmte DA- Abschnitte beliebig oft vervielfältigt. Jetzt tat Adleman seine 0 Billionen DA-Stränge zusammen in ein Glas mit wässriger Lösung. ier verbanden sie sich und bildeten nach einer Sekunde die Lösung. (Abb. 11: Verschlüsselung der Flugverbindung Athen-Berlin-Edenburgh durch einen genetischen ode) Allerdings hatte er neben seiner richtigen Lösung auch Billionen von anderen Lösungen in seinem Glas, die er nicht suchte. Schwierig war es nun, die richtige Lösung herauszufiltern. 4 2 P

23 aturwissenschaftliches Das Aussortieren der richtigen Lösungen Dazu benötigte er wesentlich mehr Zeit, als bei der Berechnung der Aufgabe. Eine Woche lang filterte er nun Lösungen heraus, indem er per Ausschlussverfahren die vernichtete, welche die Aufgabenstellungen nicht vollständig erfüllten. Dies tat er wieder mithilfe der Polymerase. Zuerst sortierte Adleman die DA-Ketten heraus, welche die Anfangs- und die Endorte an der richtigen Stelle gesetzt hatten ( Solche DA-Stränge, die zum Beispiel mit GT begannen und mit GT endeten). Die "falschen" DA-Stränge wurden entsorgt. Als nächstes vernichtete er alle Stränge die nicht ausreichend lang waren, um alle Städte beinhalten zu können. ierzu wurden die Stränge so zugeschnitten, dass sie immer noch an erster Stelle den erwünschten Anfangsort besaßen und an letzter Stelle den erwünschten Endort. Diese nun kürzeren DA-Stücke gab er in eine Gellösung, in der sie unter einem elektrischen Feld anfingen zu wandern. Je nach Länge, wanderten sie unterschiedlich weit. Die DA-Stränge, die so lang waren, wie sie sein sollten, die also 7 Städtecodes enthielten, befanden sich alle in einem Bereich, da sie alle gleichweit gewandert sind. Die Stränge aus diesem Bereich wurden wieder weiter verwendet. Im letzten Schritt befestigte er an jedem einzelnen Stadtcode nacheinander ein ano-magnetkügelchen für ein weiteres Sortierungsverfahren und setzte die DA-Stränge dann einem magnetischen Feld aus. 4 (Abb. 12: ein ano- Magnetkügelchen an einem Punkt eines DA-Stranges) 2 P

24 aturwissenschaftliches 2 4 Alle Stränge die beispielsweise den Städtecode für Berlin enthielten, wurden automatisch mit einem Kügelchen versehen. Diese wurden dann von einem Magneten angezogen und klebten am ihm. Die restlichen Stränge wurden weggespült. Jetzt besaß Adleman nur noch eine Menge von DA-Strängen, die alle Berlin enthielten. Danach setzte er das ano-magnetkügelchen an einen anderen Stadtcode, beispielsweise Erfurt. Die Stränge, die jetzt kleben blieben, enthielten auf jeden Fall schon einmal die Städte Berlin und Erfurt. Dies führte er nun mit jedem Städtecode durch, sodass am Ende nur die Lösungen verblieben, die alle Städte beinhalteten. Damit hatte er seine Antwort. Trotz des langen Aussortierens war der adlemansche omputer schon damals etwa hundertmal schneller als ein elektronischer omputer. Zudem war seine Energieausnutzung eine Milliarde mal effizienter und seine Speichermöglichkeit eine Billion mal dichter als die der Speichermedien zu dieser Zeit. Zwar liegt dieses Experiment bereits zwölf Jahre zurück und der elektronische omputer ist mittlerweile deutlich schneller, als die damaligen. Jedoch wurde auch an dem DA-omputer weiter gearbeitet, sodass ein Vergleich auch heute noch etwa die selben Ergebnisse erzielen würde. Der Erfolg dieses Experimentes war der erste Schritt hin zu einem DA-omputer, welcher beliebig programmierbar und baubar werden sollte. Inzwischen wurden auch viele andere Experimente mit dem DA-omputer erfolgreich durchgeführt. Zum Beispiel wurde eine boolesche Algebra* auf dem DA-omputer umgesetzt und eine zum System kompatible Programmiersprache erfunden. Auch wurden viele andere Teile der theoretischen Informatik des elektronischen omputers auf den DA-omputer übertragen. (unter anderem die Theorie der formalen Sprachen* und Automaten*). 2 P

25 aturwissenschaftliches Programme für den DA-omputer Ein Programm auf dem DA-omputer wird durch eine Folge biochemischer Reaktionen ausgeführt, die DA-Stränge synthetisiert, extrahiert, modifiziert und vervielfältigt. Eine der Programmiersprachen für den DA-omputer nennt sich DA-PASAL. Sie funktioniert fast wie jede andere Programmiersprache für den elektronischen omputer und besitzt unter anderem ebenfalls Elemente wie Anweisungen, Variablen, Datentypen, Bedingungen und Schleifen. Bis jetzt bekannte Variabletypen sind beispielsweise Worte, welche eine Aneinanderreihung der vier Buchstaben aus dem DA-Alphabet sind. Und auch natürliche Zahlen ist als ein Datentyp bekannt, (ähnlich dem Integer*)welcher ganze Zahlen codiert und speichert. Außerdem gibt es einen Datentyp namens multiset, der dem Datentyp des arrays* ähnelt. Er beinhaltet mehrere Worte, die beispielsweise die Informationen von Teströhrchen enthalten und sogar verschlüsseln bzw. entschlüsseln. In einer multiset-variable lässt sich unter anderem eine Menge von DA-Strängen mit ihren Eigenschaften festhalten und verarbeiten. Einige der ersten Befehle in DA-PASAL sind folgende: 4 2 P (Abb. 1: Anweisungen in DA-PASAL)

26 aturwissenschaftliches 2 (Abb. 14: Bedingungen in DA-PASAL) Eines der ersten Programme, das mit DA-PASAL umgesetzte wurde, beschäftigte sich mit liptonschen Gattern, oder anders: boolesche Gatter* aus DA Ein erstes Programm in DA-PASAL Vorgegeben wurde ein Gatter mit vier Eingängen und einem Ausgang. Die Aufgabe bestand darin, mithilfe eines Programms alle Belegungen der Eingänge herauszufinden, bei denen der Ausgabewert 1 erzeugt würde. (Abb. 1: das Gatter der Aufgabe) (Abb. 1: Grundverknüpfungen der boolischen 4 Gatter) 2 P

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