說起計算機，我們都知道它是用金屬、塑料和芯片做成的神奇機器，能將電流轉變?yōu)閿底脂F實。再過一個世紀，計算機將和現在完全不同。未來的計算機可能由神經和化學試劑組成，也可能用細菌菌落和光線構筑——它們將令我們這些帶著21世紀過時觀念的人類相見不相識。

不切實際?是有那么一點。但計算機也不過一種處理信息的工具罷了，無需拘泥于特定的材料形式。畢竟，最初的計算機就是人本身。很多還健在的人都見證過電子管被指甲蓋大小的晶體管取代的偉大過程。

下面我們將見識一些非常“非主流”的計算機。

黏菌懂計算機

“非傳統(tǒng)計算的動人之處在于能夠將風馬牛不相及的事物聯系起來。”西英格蘭大學非傳統(tǒng)計算中心主任安迪·阿達馬特茲基(Andy Adamatzky)說。他曾利用通電液晶、化學黏液和碰撞粒子構建計算機，但他最享有盛名的工作是利用一種低等黏菌——絨泡菌所做的研究。

黏菌這種長得像變形蟲的生物生活在敗枝腐葉之中。在生命的不同階段，他們可能是單細胞生物，也有可能數以百萬計地融合起來，成為蛞蝓一樣的一坨原生質團。原生質團的形式在黏菌覓食時展現出來。在覓食過程中，黏菌展現出驚人的航行技藝和解決幾何問題的能力。

黏菌尤其善于為復雜的網絡問題尋找解決途徑，例如為西班牙的高速公路或東京的鐵路系統(tǒng)做有效率的設計。阿達馬特茲基和同事的計劃走得更遠，他們在項目描述中寫道：他們的“絨泡菌芯片”將成為“由黏菌構建并操作的發(fā)散式生物態(tài)計算設備”。

“具有生命力的原生質管道網絡會像一個活躍的非線性信息傳感器那樣運作，而覆蓋有導線的管道模板則起到快速信息通道的作用。”研究者這樣描述，“和雜交芯片中的傳統(tǒng)電子元件結合在一起，絨泡菌網絡將從根本上提高數字電路和模擬電路的性能。”

絨泡菌芯片，由黏菌構建并操作的發(fā)散式生物態(tài)計算設備

黏液有神力

被黏菌解決問題的能力啟發(fā)，阿達馬特茲基和西英格蘭大學的同事杰夫·瓊斯(Jeff Jones)將黏菌的行為規(guī)則編成了關于化學吸力計算模型。就像俄羅斯的“套娃”一樣，將黏菌的行為看作一種體現化學吸引的程序，并將這種程序翻譯成計算機程序。

這篇文章3月25日發(fā)表在arXiv網站上。文中，瓊斯和阿達馬特茲基通過刺激化學黏液解決了一個極具迷惑性與挑戰(zhàn)性的經典數學問題——尋找連接多點的最短距離。當點數很少時問題并不復雜，但點數多時就非常棘手了——不過對黏菌來說并非如此。

液晶運算好

復雜流體是一類能夠在兩種相態(tài)之間靈活轉換的材料。數十年來，研究這些奇怪材料的科學家一直對不同溫度和壓力下液晶展現的離奇幾何形態(tài)傾心不已。這些幾何形態(tài)是信息的具體化，是結晶的相互作用，也是計算的一種形式。通過對液晶薄片通電，阿達馬特茲基帶領的研究人員能完成基本的數學和邏輯運算過程。

DNA插一腳

加利福尼亞理工學院的合成生物學家埃里克·溫弗里(Eric Winfree)的研究成果，圖中顯示一串經過編程的DNA用A、C、T、G四種堿基在進行合成。

合成生物學家的成就總令人難以企及。這些人似乎每周都能宣布一些新方法，將生命的基石變成細胞計算機的零件。然而即使在這人才濟濟的領域，斯坦福大學研究者的成果仍舊非常突出：上星期，他們宣布開發(fā)出一種基于蛋白質的晶體管。

這種被稱為“轉錄器”的晶體管負責控制邏輯操作，是將細胞改造成計算機的三大組件的最后一件——其他兩件，可擦寫存儲器和信息傳動裝置已經被開發(fā)出來了。最近這項研究負責人，合成生物學家德魯·安迪(Drew Endy)構思利用植物構建環(huán)境監(jiān)視器、制作經過編程的組織乃至醫(yī)療設備。

安迪說：“電影《神奇旅程》中的場景將可能成為現實。”

斯坦福大學的研究者設計的細胞門電路，它們通過所處的信息狀態(tài)讓細胞呈現紅色或者綠色

進化做設計

​大多數分子計算機都是以人類對計算機的概念為藍本設計的，但正如荷蘭特溫特大學的應用數學家哈喬·布羅爾斯瑪(Hajo Broersma)所說：“最簡單的生命系統(tǒng)又有著讓所有人工技術相形見絀的復雜精細度”——它們甚至還不是被設計出來的，是進化造就了它們。

在“起源計劃”(NAnoSCale Engineering for Novel Computation using Evolution，NASCENCE)中，布羅爾斯瑪和同事計劃利用進化的能力，把分子的組合及它們的自然性質運用在出人意料的而且強大得難以置信的領域。他們希望構建一個系統(tǒng)，能通過納米級的粒子網絡與數字計算機進行交流，并利用計算機設置目標算法，利用進化將這些粒子引向目標。

“我們希望為對傳統(tǒng)方法和計算模型而言非常棘手的問題提供別的解決方法。”他們寫道。其中一個設想是將計算機芯片設置成分子結構中常見的幾何形態(tài)，例如這里展示的大腸桿菌核糖體RNA。布羅爾斯瑪的團隊認為這項設想的成功實現可能“為下一次工業(yè)革命打下基礎”。

設計成大腸桿菌核糖體RNA形態(tài)的計算機芯片​

粒子碰撞機

歐洲大型強子對撞機(LHC)長達17英里(大約27公里多)的身形使它成為全球最大的粒子加速器。它有沒有可能也是全球最大的計算機呢?

利用LHC進行超環(huán)面儀器(ATLAS)實驗時質子的碰撞

短期內還不是，不過想想還至少是可能的。阿達馬特茲基的另一項追求被他稱為“基于碰撞的計算”，也就是是經計算建模的粒子快速通過數碼回旋加速器，利用粒子間的相互作用進行運算。“數據和結果就好像劃過空中的皮球一樣。” 阿達馬特茲基說。

受刺激的粒子碰撞隨時間的發(fā)展變化

量子計算機

量子糾纏是一種量子力學現象，描述的是兩個相聚非常遙遠的粒子仍然通過時空相互聯系，一個粒子的改變立刻會影響到另一個。諸如此類的量子力量令人毛骨悚然，但利用這些力量構建計算機的想法卻已有些年頭了。雖然量子計算機要面世還早得很，相關成果卻在不斷累積：利用更多粒子展現，糾纏現象已達到肉眼可見的程度。這種現象被用于控制機械物質。

最近的成果被發(fā)表在3月31日的《自然-光子學》雜志上。馬里蘭大學的物理學家伊度·瓦克斯和同事成功用邏輯電路控制光子。這些邏輯電路由量子點或者受激光和磁力控制的半導體晶體構建而成。研究者寫道，這些成果“代表了向固態(tài)量子網絡邁出的重要一步”。

用邏輯電路控制光子

凍結光線

如果利用糾纏的光子運行計算機還言之過早的話，這里還有一種以光作為基礎的計算方式——非量子的。當溫度低到只比絕對零度高一點時，超低溫的原子云可能能夠拖慢并控制光。利用這種現象也許能制造光學計算機芯片。

 量子大腦

人們總是很容易地將思維聯想成計算機。在這個意義上說，大腦就是信息處理系統(tǒng)。然而，它們還比任何工程設備都復雜并精密得多。

即使量子計算現在仍是個遙不可及的夢想，一些科學家思考意識背后的量子物理學。這個問題還尚未解決，不過研究者在一系列非人類的細胞中觀察到了量子過程，這為量子在意識中的作用提出了扣人心弦的可能。

“人類意識中有量子運算過程，不過僅僅發(fā)生在潛意識水平，”帕多瓦大學的理論物理學家帕奧拉·孜孜(Paola Zizzi)說道：“由于量子運算比經典的運算過程快得多，潛意識的思考也比有意識的思考要快得多，前者為后者‘做了準備’。”

一旦量子思考過程在我們的大腦中被鑒別出來，也許會啟發(fā)我們設計出現在無法想象的計算機。“概括地說，這是許多非傳統(tǒng)計算機構的前進動力。”《可計算的宇宙：將自然當成運算去理解和探索》(A Computable Universe: Understanding and Exploring Nature as Computation)的編者，瑞典卡羅琳斯卡大學的計算機科學家赫克托·詹尼爾(Hector Zenil)這樣說。

詹尼爾并不相信大腦里的量子運算那一套，但他眼中的世界的確布滿了信息化過程。他說，像他和孜孜那樣的研究人員正在竭盡所能地“運用大自然可能使用的一切運算原則去構思新型計算方式”。

宇宙也是計算機?

在《可計算的宇宙》一書中，詹尼爾和其他其他人把運算看作一個抽象的過程。任何具有存儲和信息處理能力的系統(tǒng)都能在邏輯的限度內進行運算。他們認為，計算機并不僅僅可以用化學物質或細胞或光線制造。宇宙本身可能就是一臺計算機，處理由我們日常的經歷、以及其他一切事物組成的信息。

這是個棘手的構思——如果宇宙是運算的，誰是運算者?出于明顯的理由，要驗證這個構思非常困難。不過，詹尼爾認為不無可能。在他關于存在的算法研究中，他開發(fā)了量度數據分布的方法，可能被用于檢驗現實是否運算的結果。

這個命題成立的話，生命在線性機械排序的作用就到頭了。如果這就已經是個駭人聽聞的設想，那么接下來這個肯定也是——預訂的機械過程并不支配“宇宙計算機”。存在物的某些方面肯定是不可判定的，也就是不可能通過算法或預測作事先描述。在這個計算機里，鬼魂也依然是存活的。