55、化学计算：原生化学自动机

化学计算：原生化学自动机

1. 引言

计算是一个广泛的术语，用于描述信息处理或管理的过程。它以机械的方式对信息进行转换，即相同的输入信息会产生相同的输出信息。具体而言，计算包括信息的输入、转换和输出，这些输出信息可用于各种有用的目的。理想情况下，为避免计算过程中的额外损失，被计算信息的性质应与执行计算的机器相匹配。

利用化学进行计算，为我们理解生命系统处理信息的方式提供了途径，同时也为实现可重构性、可扩展性、多功能性和能源效率等生命系统所具备的特性打开了大门。目前，化学计算有多种方法，如反应 - 扩散计算、DNA 计算等。

本文将聚焦于一种名为“原生化学计算”的新型化学计算方法，以及实现该方法的自动机（机器）。“原生”意味着该方法从输入转换到计算再到结果表达，完全依赖于化学手段。也就是说，原生化学计算是通过化学反应对以分子及其模式表达的信息进行转换。分子携带与其性质相关的信息，这些信息在化学反应中以机械的方式被转换。信息可以用字母表中的符号模式来表示，这些符号组成的单词属于某种语言。

自动机本质上是一种抽象（或实体）的构造，它在输入信息后，无需外部干预，原则上按顺序逐个处理输入的符号。它通过系统地应用一组有限的规则，在有限的可能状态中更新机器的状态。计算自动机也可以被视为识别机器，它们执行的计算可以看作是语言识别事件（这里的语言是指由给定符号字母表和语法规则构建的字符串集合）。自动机理论研究不同类型的自动机，并将它们按层次排列，形成自动机层次结构。

自动机层次结构中从简单到计算能力最强的三类自动机分别是：有限自动机（FA）、单栈下推自动机（PDA）和图灵机（TM）。有限自动机在任何给定时间都处于有限状态集合中的一个状态，当它逐个读取要计算的