[论文解读] Scalable DNA Ternary Full Adder Enabled by a Competitive Blocking Circuit

Enqiang Zhu, Peize Qiu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2026

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一句话总结

论文提出了一种基于竞争阻断（CB）电路和浓度调整（CA）策略的可扩展三进制DNA全加器，在实验上实现多位加法至10位，概念上至17位，并在一个10位测试中演示了8位连续进位。

ABSTRACT

DNA adder circuits are programmable reaction networks that process DNA molecular inputs to compute a sum and serve as essential components for digital computation. Currently, DNA adders primarily focus on binary addition. While efforts extend the operational bit-width by minimizing the number of DNA strands and developing carry-transmission mechanisms, challenges such as the susceptibility of carrying information to attenuation and the limited expressive capacity of the binary system impose significant constraints on computational scale. This paper proposes a scalable ternary adder architecture by introducing an innovative competitive blocking (CB) circuit. The architecture employs a dual cooperative optimization strategy that significantly enhances single-bit computational capacity and incorporates a dynamic concentration adjustment (CA) to effectively broaden the computational bit-width. Consequently, a significant increase in molecular computing scale is achieved compared to previous binary adders. Biochemical experimental results indicate that the CB circuit effectively outputs the ternary full-adder bit and successfully performs 10-bit addition. Furthermore, by implementing the CA strategy, this adder can be further extended to support 17-bit addition. This research provides a novel methodological foundation for advancing DNA computing technologies and offers promising potential for scalable digital computing applications.

研究动机与目标

• 通过转向更高基数（三进制）来减少进位传输，从而解决DNA加法器中的进位信息衰减问题。
• 引入竞争阻断（CB）电路以准确识别并管理进位信息。
• 开发浓度调整（CA）策略以扩展计算比特宽度并减缓信号损失。
• 将三进制逻辑与CB电路集成，设计并实现可扩展的DNA三进制全加器。
• 展示多比特运算并通过实验性的进位传播评估在多位范围内的可扩展性。

提出的方法

• 设计一个两级门（GATE1_ij 和 GATE2）以及一个阻断链B_in的CB电路，通过差异反应速率（k1、k2、k3）来控制进位处理。
• 优化塔荷结构长度（3、5、7nt）以平衡反应速度与泄漏，选择5 nt以获得最佳性能。
• 用三轨方案（输入A_0/1/2 与 输入B_0/1/2）表示三进制输入，并使用三种荧光信号（ROX、FAM、VIC）来输出 SUM1/SUM2。
• 使用两种门实现进位产生：三输入AND门（GATE1^-_ij）和二输入AND门（GATE^-_ij），加上转换门和提取门来实现进位传导。
• 以GATE-Extract锚定在 Streptavidin磁珠（MBs）上，将进位信息在比特之间传递，包含放大步骤（GATE-amplifier）和燃料链以补充进位信息（B_in）。
• 将三进制加法器模块化为 ij-模块（i,j ∈ {0,1,2}），计算 i+j+x 并输出 SUM1 或 SUM2，具备进位提取与多比特级联能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 竞争阻断电路是否能可靠地确定并重定向三进制DNA加法器中的进位信息？
• RQ2 如何通过浓度调整提高DNA加法器的比特宽度与可扩展性？
• RQ3 CB 基于的三进制全加器的实验比特宽度和进位传播能力是多少？
• RQ4 在规模与泄漏方面，三进制加法器的性能与二进制DNA加法器相比如何？

主要发现

• CB 电路在存在 B_in 时能迅速阻断 GATE1 并将反应重定向到 GATE2，从而实现 SUM2 输出并降低 SUM1 的泄漏。
• 5 nt 的塔荷长度在反应速度与泄漏之间取得平衡，得到 k1=1.1876e-4 μM/s，k2=1.8377e-3 μM/s，k3=7.2992e-4 μM/s。
• 实验验证了所有输入组合的九个 ij-模块，泄漏始终低于 SUM2 信号的一半，表明进位处理可靠。
• 一个10位三进制全加器演示了通过磁珠传输进位并进行放大/转换步骤的顺序加法，结果示例为 1012212101 + 2211220122。
• 在 CA 下，加法器在概念上可扩展至17位加法，且8位子集的8连贯进位达到100%成功率，表明在 CA 策略下具有较高的可扩展性。
• 在所述对比条件下，基于 CB 的三进制加法器在文献中相对于先前的二进制 DNA 加法器实现了显著的规模提升（在连续进位方面达到约2,405,552× 的改进）。