5、可扩展、响应及时、数字、节能的分子电路

可扩展、响应及时、数字、节能的分子电路

1. 数字电路与信号恢复

在分子电路中，数字的概念意味着电路采用信号恢复技术，从本质上为模拟浓度值获取数字抽象。布尔值由某些化学物质的高或低浓度表示。为了纠正非理想输入以及逻辑门自然产生的信号衰减，在将值作为输入传递给电路中的下一个门之前，需要将高浓度进一步提高，低浓度进一步降低。

通过设计单输入单输出的恢复门（将其“拼接”到逻辑电路的每根导线中）来实现这一点。若输入线为 (i)，输出线为 (o)，则有 ([1_o]/[0_o] = ([1_i]/[0_i])^2)，其中 ([A]) 表示物质 (A) 的浓度。例如，若一根导线的物质总浓度为 100，且 ([1_i] = 60)，([0_i] = 40)，则在稳态下，([1_o] \approx 69.23)，([0_o] \approx 30.77)（因为 (69.23/30.77 \approx 2.25 = 1.5^2 = (60/40)^2)）。通过串联少量这样的门，即使非常微弱的信号也能被放大，因为 (n) 个级联的门可以将比率 (r) 放大到 (r^{2n})。例如，要将比率 (0.6/0.4) 转换为 (> 0.99999/0.00001) 仅需要 5 个恢复门。

这个设计使用了 DNA 链置换动力学的理想化模型进行模拟，模拟结果与上述特性相符。未来一个重要的项目是通过实验验证这种构建的可行性。

2. 电路设计

2.1 设计概述

设计采用双轨约定，电路中的每根导线 (w) 由两种化学物质（DNA 链）(0_w) 和 (1_w) 表示。只要正确输入位物质与错误输入位物质的浓度比率“足够高”，所使用的布尔门就