Prírodou inšpirované algoritmy

Kryštálové výpočty

Kryštálové výpočty in-silico - v kremíku

Použitie kryštálov sa ukazuje ako jedna z možností smerom k nanotechnológií. Množstvom dobrých vlastností, ktoré majú ich robí veľmi atraktívnym médiom pri návrhu fyzickej implementácie celulárnych automatov. Dokážu sa totiž vytvárať sami a na úrovni atómov teda vytvárajú také usporiadania, ktoré často pripomína mriežku rôznych druhoch celulárnych automatov. Lokálne interakcie medzi jednotlivými časticami na povrchu alebo v kryštalickom materiály môžu byť teda veľmi príťažlivým prístupom implementácie celulárneho automatu vo veľmi malých rozmeroch.

V nasledujúcom popíšeme niektoré problémy v spojitosti s implementáciou celulárneho automatu v kryštáloch.

Jednoduchý prístup

Každý pokus, ktorý by sa snažil realizovať model biliardových gúľ (z anglického: billiard ball model) v malom rozmere narazí na problém nájdenia takého fyzického systému v ktorom by sa našli ekvivalenty biliardových gúľ a zrkadiel. Ak by sa podarilo nájsť systém v ktorom by biliardové gule mali rozmer atómov a kde by existovali zrkadlá potom by sme dostali univerzálny výpočtový systém v extrémne malých rozmeroch.

Akékoľvek ideí ohľadom toho sú však mierne uletené. Už len nepresnosť v polohe gúľ a v rýchlosti ich pohybu nutne spôsobí nárast chýb výpočtu. Zatiaľ čo implementácia biliardových gúľ v podobe atómov so skutočnou rýchlosťou vyzerá skutočne atraktívne, nie je jednoduché si predstaviť ako by takýto prístup bol skutočne realizovaný. Pokus o elimináciu kumulatívnej chyby prostredníctvom zmeny analógového prístupu na digitálny sa teda javí ako nutný.

Digitálna synchronizácia

V digitálnom systéme, diskrétnosť času znamená, že pre automat musí existovať spôsob ako udržať jeho časti synchronizované. Bolo by veľmi nádherné keby naše komponenty používali jedny nezávislé hodinky s extrémnou presnosťou vo veľmi malom rozmere - napríklad ako tie v našich moderných počítačoch. Bohužiaľ takáto nádej sa zdá byť viac než optimistická.

Kým sa javí ako celkom spoľahlivé postaviť automat na stochastických princípoch bez akékoľvek synchronizácie s použitím pravidla KISS (z anglického: Keep it Synchronous, Stupid - Nechaj to synchronizované, blbec), zdá sa, že bude mať zmysel sa pokúsiť o postavenie synchronizovaného automatu.

To však znamená, že je nutné mať hodinky malého rozmeru. Pre systém ktorý opisujeme vyššie však jeho rozmer je tak malý, že už len samotné šírenie hodinového signálu bude s oneskorením ak sa tento signál potrebuje dostať na väčšiu vzdialenosť.

Namiesto tohto prístupu sa ako jedno riešenie zdá byť použitie firefly systému (v preklade systém svätojánskej mušky). Takýmto spôsobom je možné skonštruovať diskrétny systém s nespoľahlivými komponentmi, ktoré napriek tomu vykazujú globálne synchronizované oscilácie ako to je v prírode medzi svätojánskými muškami. Tisícky týchto mušiek súhlasne zapaľuje či zhasína svetielko aj napriek tomu, že každá muška sleduje len svojich najbližších susedov.

Niekoľko firefly zariadení už bolo zrealizovaných čo dokazuje, že sklon k vyšším rýchlostiam dáva v celku dobré výsledky pri použití tohoto princípu.

Je pravdepodobné, že interakcie v malých rozmeroch budú mechanické. Je však ťažké si predstaviť ako realizovať samotný biliardový model použitím mikroskopických komponentov. Aj napriek tomu, že biliardový model nie je veľmi zložitý, nie je jednoduché vizualizovať takýto fyzický mechanický systém. Takáto realizácia CA - celulárneho automat by ideálne mala spotrebovať iba veľmi malé množstvo energie.