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Monday, 5 October 2026dailybeirut.com
Tech & Sciences
Des chercheurs de l'Université Maynooth ont conçu un ordinateur moléculaire programmable capable d'exécuter des calculs complexes, y compris sur 100 bits, en utilisant des interactions entre molécules d'ADN.
Une seule goutte d'eau contient des milliards de molécules d'ADN capables de traiter des informations et de générer des réponses sans processeurs en silicium. Des chercheurs de l'Université Maynooth ont conçu ces interactions moléculaires sous forme d'un Ordinateur ADN à Échafaudage (SDC) programmable, capable d'exécuter des tâches complexes, y compris des calculs sur 100 bits.
L'informatique moléculaire utilisant du matériel génétique, des réactions chimiques et des protéines existe depuis des décennies. Le SDC se distingue par la conception de systèmes où la réponse correcte représente l'état le plus favorable énergétiquement. Alors que les molécules d'ADN entrent en compétition et se réarrangent, elles migrent naturellement vers cette configuration stable à faible énergie.
Damien Woods, professeur à l'Université Maynooth et auteur de l'étude, a expliqué que les molécules interagissent pour former une structure qui constitue la réponse. Il a noté une innovation clé : le système identifie la solution sans nécessiter d'apports continus d'énergie.
L'architecture du SDC commence par un long brin d'ADN servant d'échafaudage. Des brins plus courts, appelés tuiles de calcul, s'attachent à des positions spécifiques le long de ce squelette. La programmation consiste à sélectionner des séquences d'ADN qui dictent quels brins voisins peuvent se lier correctement.
Chaque position de l'échafaudage accueille des tuiles d'ADN concurrentes. La liaison est énergétiquement favorable lorsque les tuiles voisines possèdent des séquences complémentaires. Inversement, les incompatibilités entraînent une pénalité énergétique, provoquant le détachement des tuiles incorrectes et leur remplacement. Ce processus itératif guide la structure moléculaire vers la configuration présentant le moins d'incompatibilités, créant un paysage où la réponse réside au point d'énergie le plus bas.
Les expériences impliquent le mélange de l'échafaudage, des brins de calcul appropriés et de molécules rapporteuses, suivi de cycles thermiques. Une procédure typique refroidit le mélange de 80 °C (~353 K) à 20 °C (~293 K) pendant trois heures, puis le maintient pendant 45 minutes. Pendant cette phase, les brins d'ADN explorent simultanément diverses dispositions, se dirigeant vers l'état thermodynamiquement favorisé.
Contrairement aux autres ordinateurs moléculaires exigeant un contrôle strict de l'ordre des réactions, le SDC permet une exploration parallèle. Les ajustements incorrects entraînent une instabilité, provoquant la séparation et le remplacement par des correspondances meilleures. Cela permet une auto-correction sans mécanismes distincts de gestion des erreurs.
L'équipe a validé le système grâce à plus de 700 calculs sur 10 programmes, incluant la multiplication par trois, la division par deux et la détection de parité sur 8 bits. Lors de tests à quatre positions, environ 95 pour cent des calculs ont produit les résultats attendus en moyenne.
L'ordinateur ADN fonctionne comme un puzzle moléculaire où les formes des pièces encodent les règles arithmétiques. Les nombres sont représentés en chaînes binaires de 0 et de 1, chaque position de l'échafaudage correspondant à un bit binaire. Les séquences de tuiles encodent les règles de transport de l'information entre les positions. Par exemple, une tuile détermine le prochain bit de sortie et la retenue en fonction des bits d'entrée et des données de la colonne précédente. Les tuiles correctes s'ajustent parfaitement, tandis que les incorrectes tombent, permettant au système de se stabiliser dans une chaîne sans incompatibilité.
Dans les démonstrations, le SDC a géré des tailles de calcul variables. Il a correctement additionné 10 et 3 pour produire 13. Les petits calculs ont été achevés en environ 30 secondes. L'augmentation de l'échelle impliquait des brins d'ADN plus longs pour ajouter des nombres beaucoup plus grands, nécessitant 100 bits d'information. Ces exemples difficiles ont pris jusqu'à 14 heures pour être complétés.
Abeer Eshra, professeur d'informatique à l'Université Maynooth et co-auteur de l'étude, a déclaré que bien que la réaction soit rapide dans le tube à essai, elle n'est pas destinée à égaler les vitesses du silicium. Cependant, elle a souligné que leur système est le plus rapide par rapport aux autres ordinateurs ADN.
Étonnamment, le dispositif prend en charge la réutilisation. L'équipe a réussi à exécuter trois programmes différents entre 9 et 25 fois. Chaque nouveau calcul a nécessité environ 12 minutes de préparation et d'exécution. De plus, le système a démontré sa longévité ; une expérience a repris son fonctionnement après avoir été laissée pendant un an et demi, partiellement desséchée, lors de la réhydratation avec de l'eau.
Les chercheurs considèrent cette approche comme une alternative potentielle aux fortes demandes énergétiques de l'informatique conventionnelle. Woods a souligné que les ordinateurs à base de silicium consomment une puissance significative, notant que 23 % de l'électricité de l'Irlande est dédiée à l'informatique et au stockage de données. Il a suggéré que se concentrer uniquement sur un type d'ordinateur néglige d'autres exemples, tels que le cerveau humain.
L'ordinateur ADN fonctionne différemment en permettant aux molécules d'interagir dans l'eau et de se stabiliser dans une disposition représentant la réponse, plutôt que de piloter des opérations électroniques séquentiellement. Malgré ses promesses, la technologie reste trop lente pour rivaliser avec le silicium, les calculs plus importants prenant jusqu'à 14 heures et nécessitant des cycles de chauffage et de refroidissement.
Actuellement, cette réalisation démontre que le calcul peut émerger de molécules se dirigeant vers un état physique favorable. L'étude a été publiée dans la revue Nature.
