Inom klassisk datavetenskap, information lagras i bitar; inom kvantdatavetenskap, information lagras i kvantbitar, eller qubits. Experiment vid Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin i Warszawa visar att kemi också är en lämplig grund för att lagra information. Den kemiska biten, eller 'titt, ' är ett enkelt arrangemang av tre droppar i kontakt med varandra, där oscillerande reaktioner uppstår.

I typiskt elektroniskt minne, nollor och ettor registreras, lagras och läses av fysikaliska fenomen som strömflödet eller förändringar i elektriska eller magnetiska egenskaper. Dr Konrad Gizynski och prof. Jerzy Gorecki från Institutet för fysikalisk kemi vid Polska vetenskapsakademin (IPC PAS) i Warszawa har visat ett arbetsminne baserat på kemiska fenomen. En enda bit lagras här i tre angränsande droppar, mellan vilka kemiska reaktionsfronter fortplantar sig stadigt, cykliskt, och på ett strikt definierat sätt.

Den kemiska grunden för denna form av minne är Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaktionen. Reaktionsförloppet är oscillerande. När en cykel slutar, de reagens som behövs för att starta nästa cykel rekonstitueras i lösningen. Innan reaktionen upphör, det finns vanligtvis flera tiotals till hundratals svängningar. De åtföljs av en regelbunden förändring av färgen på lösningen, orsakad av ferroin - reaktionskatalysatorn. Den andra katalysatorn som användes av Warszawa-forskarna var rutenium. Införandet av rutenium gör att BZ-reaktionen blir ljuskänslig - när lösningen belyses av blått ljus, den slutar att svänga. Denna funktion gör det möjligt att kontrollera reaktionens förlopp.

"Vår idé för kemisk lagring av information var enkel. Från våra tidigare experiment, vi visste att när Belousov-Zhabotinsky droppar är i kontakt, kemiska fronter kan fortplanta sig från droppe till droppe. Så vi bestämde oss för att leta efter de minsta droppsystemen där excitationer kunde ske på flera sätt, med minst två stabila. Vi kan sedan tilldela en sekvens av excitationer ett logiskt värde på 0, den andra 1, och för att växla mellan dem och tvinga fram en viss förändring av minnestillstånd, vi skulle kunna använda ljus, " förklarar Prof. Gorecki.

Experiment utfördes i en behållare fylld med ett tunt lager av lipidlösning i olja (dekan). Små mängder oscillerande lösning sattes till systemet med en pipett bildade droppar. Dessa placerades ovanför ändarna av optiska fibrer som fördes till botten av behållaren. För att förhindra att dropparna glider av de optiska fibrerna, var och en var immobiliserad av flera stavar som stack ut från botten av behållaren.

Sökandet började med en studie av par kopplade droppar där fyra typer (moder) av svängning kan äga rum:droppe ett exciterar droppe två; droppe två exciterar droppe ett; båda dropparna exciterar varandra samtidigt; båda retar upp varandra omväxlande (dvs. när man är upphetsad, den andra är i den eldfasta fasen).

"I parade droppsystem, oftast, den ena droppen upphetsade den andra. Tyvärr, endast ett läge av denna typ var alltid stabilt, och vi behövde två, " säger Dr Gizynski. "Båda dropparna består av samma lösning, men de har aldrig exakt samma dimensioner. Som ett resultat, i varje droppe, de kemiska svängningarna sker i en något annan takt. I sådana fall, droppen som oscillerar långsammare börjar anpassa sin rytm till sin snabbare "vän". Även om det vore möjligt med ljus att tvinga den långsammare oscillerande droppen att excitera den snabbare oscillerande droppen, systemet skulle återgå till det läge där den snabbare droppen stimulerade den långsammare."

I den här situationen, IPC PAS-forskarna tittade på trillingar av angränsande droppar arrangerade i en triangel (så att varje droppe rörde vid sina två grannar). Kemiska fronter kan fortplanta sig här på många sätt:Droppar kan svänga samtidigt i motfas, två droppar kan oscillera samtidigt och tvinga fram svängningar i den tredje, etc. Forskarna var mest intresserade av rotationssätt, där de kemiska fronterna passerade från droppe till droppe i en 1-2-3 sekvens eller i motsatt riktning (3-2-1).

En droppe där Belousov-Zhabotinsky-reaktionen fortskrider exciterar snabbt, men det tar mycket längre tid för den att återgå till sitt ursprungliga tillstånd och först då kan den bli upphetsad igen. Så om i 1-2-3-läget excitationen skulle nå droppe tre för snabbt, det skulle inte komma igenom till droppe ett för att initiera en ny cykel, eftersom droppe man inte skulle ha tillräckligt med tid att "vila". Som ett resultat, rotationsläget skulle försvinna. IPC PAS-forskare var bara intresserade av rotationslägen som klarar av flera upprepningar av excitationscykeln. De hade en extra fördel:de kemiska fronterna som cirkulerar mellan dropparna liknar en spiralvåg, och vågor av denna typ kännetecknas av ökad stabilitet.

Experiment visade att båda de studerade rotationslägena är stabila, och om ett system går in i ett av dem, den kvarstår tills Belousov-Zhabotinsky-reaktionen upphör. Det bevisades också att genom att korrekt välja tid och längd för belysning av lämpliga droppar, excitationernas rotationsriktning kan ändras. Triplettdroppsystemet, med flera kemiska fronter, var således kapabel att permanent lagra ett av två logiska tillstånd.

"Faktiskt, vår kemiska bit har en något större potential än den klassiska biten. De rotationslägen vi använde för att registrera tillstånden noll och ett hade de kortaste svängningsperioderna på 18,7 och 19,5 sekunder, respektive. Så om systemet svängde långsammare, vi skulle kunna tala om ytterligare ett tredje logiskt tillstånd, " kommenterade Dr Gizynski, och noterar att detta tredje tillstånd kan användas, till exempel, för att verifiera postens riktighet.

Forskningen om minne som består av oscillerande droppar var grundläggande till sin natur och tjänade bara till att visa att stabil lagring av information med hjälp av kemiska reaktioner är möjlig. De nybildade minnesreaktionerna var bara ansvariga för att lagra information, medan inspelning och läsning krävde fysiska metoder. Det kommer sannolikt att dröja många år innan ett fullt fungerande kemiskt minne kan byggas som en del av en framtida kemisk dator.