化學方式的1比特存儲單元

在經典計算機科學中，以比特存儲信息；在量子計算機科學中，以量子比特存儲信息。華沙波蘭科學院物理化學研究所的實驗家們證實，化學也是一種存儲信息的合適載體。化學比特，或者說「chit」，是一種簡單排列的三液滴，彼此緊密接觸並不斷振蕩。

典型的電子存儲器利用物理現象記錄、存儲和讀取零和一，比如電力流動、電氣變化、磁性變化等。波蘭科學院物理化學研究所(IPC PAS)的Konrad Gizynski博士和Jerzy Gorecki教授證實可利用化學現象得到存儲器。利用三個毗鄰液滴存儲單個比特，液滴之間的化學反應鋒面穩定、周期、嚴格地傳遞。

這種存儲形式的化學基礎是貝洛索夫-恰鮑廷斯基反應(BZ反應)。該反應過程是振蕩的，能在正反兩個方向上自發進行。當一個周期結束，下一個循環所需的試劑會在溶液中重新形成。反應停止前，通常會經歷幾十到數百次振蕩。由於研究者使用了鄰二氮菲亞鐵離子這種反應催化劑，溶液顏色會規律變化。華沙研究者還使用了第二種催化劑——釕，使得BZ反應具備了光敏性，即當用藍光照射溶液時，就不再振蕩。這種特性使得研究者能控制反應進程。

Gorecki教授解釋道：「我們關於化學信息存儲的想法十分簡單。從先前的實驗中，我們知道當BZ液滴相互接觸，化學反應鋒面能從一個液滴傳遞到另一個液滴。因此我們決定尋找能夠產生多種激發態的最小液滴系統，並且至少存在兩種穩定的。然後將激發序列分配邏輯值0或者1，並且利用光照進行狀態切換或者強制進行特定的存儲狀態變化。」

在一個容器中，研究者在石油中(癸烷)中嵌入薄薄的一層脂質溶液以進行實驗。用移液管滴入少量振蕩溶液到該系統中。將整個容器放在光纖末端上方。為了防止液滴滑落，用塑料做成了一些固定在容器上的柱子容納這些液滴。

實驗裝置。credit: 煎蛋第十一位畫師seηz

研究者從一對耦合液滴開始進行搜尋，其中會發生四種振蕩：甲液滴激發乙液滴；乙液滴激發甲液滴；甲乙液滴同時激發；甲乙液滴交替激發(即當其中一個激發，另外一個就處於不應期)。

Gizynski博士說道：「在成對液滴系統中，最常見的是一個液滴激發另一個。不幸的是，只有一種模式總是穩定的，但我們需要兩種。兩個液滴都是由相同溶液而來，但其大小不會完全一致。因此，在每個液滴中發生的化學振蕩均會存在細微的不同。在此情況下，振蕩較慢的液滴會調整自己的節奏適應較快的『盆友』。即使有可能用光強制使振蕩較慢的液滴激發振蕩較快的液滴，雙液滴系統也會很快轉換到較快液滴激發較慢液滴的模式。」

在此情形下，IPC PAS的研究者開始檢查三角排列的三鄰接液滴(每個液滴與兩滴液滴相鄰)。這種系統中存在多種化學反應鋒面傳遞方式：液滴可能同時反相振蕩，可能兩個液滴同時振蕩並迫使第三個振蕩等。研究者對輪轉模式最感興趣，該模式中化學鋒面是按照1-2-3的正序或者反序逐個液滴傳遞的。

BZ反應能快速進行到激髮狀態的液滴，需要更多的時間才能回到初始狀態，並只有在此之後才能再次激發。因此如果1-2-3模式中激發態在三個液滴中傳遞得過快，那麼一次循環結束後由於第一個液滴技能冷卻時間不夠，第一個液滴將無法再次激發並開始新的循環，輪轉模式就會終止。研究者只對能多次循環的輪轉模式感興趣，這種模式具有額外的優點：液滴間循環傳遞的化學反應鋒面形成了螺旋波，其特點就是穩定性更好。

化學比特存儲原理。credit: 煎蛋御用之出場一集就掛掉之除了胳膊長和畫科研超載雞之外其餘功能還未開發之畫師三號機Dealter

實驗人員證實兩種研究的輪轉模式都是穩定的，如果系統進入了其中一種模式，就將一直保持直到BZ反應停止。針對合適的液滴正確選擇光照時間和時長，還能改變激發態的旋轉方向。三液滴系統由此就能永久地存儲兩種邏輯狀態之一。

Gizynski評論道：「事實上，我們的化學比特比傳統比特的潛力還要稍微大一些。我們用來記錄零一狀態的兩種旋轉模式分別具有最慢18.7秒和19.5秒的振蕩周期。因此如果系統振蕩變慢，我們就能得到額外的第三種邏輯狀態，並可據此確認記錄的正確性。」

該研究在自然界中是很基礎的，只是為了證實利用化學反應穩定存儲信息的可能性。該存儲反應只負責存儲信息，其中信息的記錄和讀取還需要通過物理方法實現。也許多年以後可以據此製造功能完善的化學存儲器，並在此基礎上設計化學計算機。

論文原文：DOI: 10.1039/c6cp07492h

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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