[論文レビュー] Molecular computers

Marius Buliga|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Origins and Evolution of Life参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、変数や評価を用いず、局所的なグラフ書き換えに基づく最小限の人工化学、chemlambdaを提案する。これは分子様の反応を通じて計算をシミュレートし、チューリング完全性を示している。また、実際の化学系がこれらのグラフ書き換えを実装できる場合、酵素を介した非同期的変換により実用的な分子コンピュータを実現できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

We propose the chemlambda artificial chemistry, whose behavior strongly suggests that real molecules which embed Interaction Nets patterns and real chemical reactions which resemble Interaction Nets graph rewrites could be a realistic path towards molecular computers, in the sense explained in the article.<br>This is a text version of the article [7]. The original article uses javascript animations, here replaced with links. <br>

研究の動機と目的

• 局所的なグラフ書き換えを通じて計算を可能にする、形式的に定義された最小限の人工化学（chemlambda）を提唱すること。
• chemlambdaがチューリング完全であることを示し、変数の伝達や評価を必要とせずに、無型ラムダ計算をシミュレートできることを証明すること。
• chemlambdaにおけるグラフ書き換えのパターンが、実際の化学反応に対応可能である可能性を主張し、物理的な分子コンピュータの実現を可能にすること。
• GitHubリポジトリを通じて完全にオープンで再現可能な実装を提供し、アニメーション、デモ、427個の分子グラフのライブラリを含めること。
• 共有されたコードとシミュレーションを通じて理論的モデルと実験的検証を結びつけることで、オープンサイエンスとバイオハッキングを提唱すること。

提案手法

• chemlambdaは、分子を原子（ノード）と結合（リンク）からなるグラフとして表現するグラフベースの形式的記法を用い、化学反応は局所的なグラフ書き換えとしてモデル化される。
• コアとなる書き換えには、BETA、FAN-IN、DIST、FO-FOE、COMBの各移動があり、それぞれが特定の変換を模倣し、化学反応に類似している。
• 還元アルゴリズムは、優先順位による決定的実行または重み付きコイン投げによるランダム実行のいずれかで、局所性と非同期性を保証する。
• COMBサイクルは、Arrowノードを除去するためにCOMB移動を繰り返し適用し、グローバルな調整を必要とせずにグラフを簡略化する。
• システムは変数や評価ステップを一切用いず、グラフ構造を通じた信号伝達に依存し、生物学的シグナル伝達に類似している。
• モデルはJavaScriptで実装されGitHubにホスティングされており、独立した検証が可能なアニメーションとシミュレーションが利用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限で局所的なグラフ書き換えシステムは、変数の伝達や評価に依存せずにチューリング完全性を達成できるか？
• RQ2 chemlambdaにおけるグラフ書き換えのパターンは、分子レベルで現実的に可能な化学反応に対応可能か？
• RQ3 グローバル制御が欠如する非同期的・分散型の還元アルゴリズムが、意味のある計算結果を生み出せるか？
• RQ4 酵素や識別可能な分子成分を用いて、このようなシステムを実際の化学で実装するのは可能か？
• RQ5 公開コードと再現可能なシミュレーションを含むオープンサイエンスの実践が、分子計算の理論的モデルを検証できるか？

主な発見

• chemlambdaはチューリング完全であることが証明されており、局所的なグラフ書き換えを通じて無型ラムダ計算をシミュレートできる。
• システムは変数や評価を用いず、グラフ構造と局所的書き換えによる信号伝達によって計算を実行する。
• 中間状態がラムダ項を表さない場合でも、例えばchemlambdaクインのケースのように意味のある計算結果が得られる。
• 決定的およびランダムな還元アルゴリズムの両方が、複雑で非自明なダイナミクスを示し、ランダム版では頑健性と自己組織的挙動が観察される。
• COMBサイクルは、分散的で反復的な方法でArrow要素を効果的に除去し、グラフ構造を簡略化する。
• モデルの完全な実装、427個の分子グラフ、100以上のデモがGitHubで公開されており、独立した検証が可能である。