Chemische computer volgende stap in strijd tegen overmatig energiegebruik

Mathieu Baltussen van de Radboud Universiteit heeft een voorloper van een goedwerkende chemische computer op te zetten. Hij promoveert 22 september op dat onderwerp aan de Radboud Universiteit.

De computers die we nu gebruiken zijn gebaseerd op elektronica, op eentjes en nulletjes. Dat werkt prima voor de toepassingen van nu, maar met alle ontwikkelingen die er gaande zijn, zoals AI, gaan we heel veel energie gebruiken. Daarom worden er ook kwantumcomputers ontwikkeld, of computers die geïnspireerd zijn op het brein (neuromorfe computers), maar Baltussen kwam met een ander idee: op basis van scheikundige reacties een computer bouwen.

‘Dat is al eerder geprobeerd’, legt Baltussen uit. ‘Wetenschappers probeerden de elektronische computers die we al hebben en de transistors die we daarin gebruiken, de nulletjes en eentjes dus, na te bouwen met moleculen. Alleen dat is heel lastig: moleculen passen niet mooi in een transistor.’ De scheikundige haalde daarom inspiratie uit hoe bacteriën met informatie omgaan. ‘Een bacterie is op zoek naar voedsel en scant de omgeving bijvoorbeeld af op zuurstof. Dat doet zij met behulp van chemische reacties. Dit kan je zien als informatieverwerking, een soort berekening – en dat is in principe wat er ook in een computer gebeurt.’

Baltussen keek wat hij nog op het lab had liggen waarmee hij iets zou kunnen bouwen en kwam uit bij de formose-reactie: een reactie in de scheikunde die waarschijnlijk aan de basis van het ontstaan van leven op aarde lag. Hierbij reageren meerdere suikerachtige moleculen herhaaldelijk met elkaar, waarna er een heel mengsel aan nieuwe, complexe moleculen ontstaat.

Hij bedacht om gebruik te maken van een ontwikkeling uit de neuromorfe computers: een reservoir computer. Simpel gezegd is een reservoir computer een methode waarbij ervanuit wordt gegaan dat er al een complex systeem ís dat ingewikkelde berekeningen doet. Je hoeft dan alleen maar de “goede berekeningen” eruit te halen. ‘Mijn hypothese was dat zo’n formose-reactie eigenlijk een reservoir computer is: een systeem waarbij al hele ingewikkelde berekeningen worden gedaan. Dat bestaat dus al, daar hoef je niks aan te doen. Je moet het alleen goed weten te gebruiken.’

Baltussen testte zijn hypothese onder andere door het gedrag van een E.colibacterie na te bootsen met een computermodel. Hij veranderde de omstandigheden van de bacterie, door bijvoorbeeld de beschikbare voedingsstoffen aan te passen, en deed hetzelfde bij een formose-reactie. ‘Vervolgens moet je dat zien te matchen en moet je ze op elkaar afstemmen. Zo leert het formose-reservoir om de uitkomst van de bacterie (het computermodel) te voorspellen. En wat je dan krijgt is dat je op basis van hoe een formose-reactie reageert op veranderende omstandigheden, je kunt voorspellen hoe de bacterie zich gedraagt.’

Het bleek te werken. Baltussen slaagde er ook in om op deze manier een basisvorm van het weer te voorspellen. ‘Dat was wel geweldig, dat het klopte wat ik had bedacht. Het was niet voor de hand liggend, dus dat het werkte, was heel mooi.’

‘Het grote voordeel is dat je veel minder energie en data nodig hebt op deze manier. Het zal de digitale computer niet vervangen, maar het kan misschien, net als een kwantumcomputer en neuromorfic computing, een plekje krijgen in een datacentrum voor specifieke berekeningen.’ De wetenschapper ziet ook toepassingen in de nanotechnologie voor zich, bijvoorbeeld in de biomedische wetenschap. Je kunt dan denken aan slimme lichaamssensoren. ‘Maar dat is allemaal nog ver weg. Er moet eerst veel meer onderzoek komen – en er moet dus veel meer geld beschikbaar zijn – om dit nog verder te kunnen ontwikkelen.’