拋開矽元素，DNA 或為量子運算未來之星

研究人員發現了一種在原子層級操控 DNA 的方法，透過電場梯度來控制氮原子核自旋。他們的研究結果顯示，在未來的量子運算裝置中，DNA 有望同時作為儲存與運算機制。

北京大學研究人員近期的一項研究，強調了利用電場梯度，透過核電共振控制 DNA 中氮原子核自旋的潛力。這項突破意味著，未來有一天，DNA 或許能被用於運算目的。

該研究結合了分子動力學模擬、量子化學計算和理論分析，揭示了電場梯度如何與 DNA 中的氮原子相互作用，透過核自旋取向編碼遺傳和結構資訊。相關研究成果近期以開放存取的方式，發表於《智慧運算》（Intelligent Computing）期刊上，論文標題為〈利用電場梯度和核自旋在 DNA 中編碼遺傳和結構資訊〉。

研究作者表示：「我們的研究揭示了 DNA 分子中氮原子位置的電場梯度主軸方向模式，證明這些方向與鹼基型別和 DNA 的三維結構密切相關。」本質上，氮原子的核自旋取向儲存了 DNA 序列及其三維形態的資訊。這一發現為在量子運算中將 DNA 用作資料儲存系統開啟了可能性。

若要使 DNA 成為運算裝置，它還必須具備處理機制。研究指出，質子核自旋比氮自旋更複雜多樣，可能與氮原子相互作用以促進運算。這種相互作用或能實現基於 DNA 的量子運算系統，推動生物分子在下一代運算技術中的應用。

DNA 中的氮原子與三個或兩個原子鍵結，導致不同的電場梯度取向。前者的主軸始終垂直於鹼基平面，而後者的主軸則根據鹼基和氮型別，與鍵的平分線對齊或接近垂直。這些取向在腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶這四種鹼基中有所不同。

此外，自旋系統模擬分析了相鄰鹼基的電場梯度資料，結果顯示，對於與腺嘌呤和鳥嘌呤中的原子鍵結的氮原子，核自旋取向的偏轉角度與鹼基的結構偏轉角度一致。然而，胞嘧啶和胸腺嘧啶的變異性較大，氮取向沒有固定規則。

為了研究 DNA 中的電場梯度，作者使用分子動力學模擬來建模 DNA 分子隨時間的原子座標。他們採用新增離子的溶劑化 DNA 系統以確保電中性，並進行了嚴格的平衡和模擬步驟。隨後，對選定的核苷酸子集進行了量子化學計算，重點關注 DNA 鹼基中的氮原子位置。分析電場梯度分量以提取主軸方向和特徵值。

透過比較 DNA 中兩個相鄰同質鹼基結構的偏轉角度與原子核電場梯度的偏轉角度，作者研究了核自旋取向偏轉角度對 DNA 結構的依賴性，以及在電場梯度下氮原子核自旋對周圍質子核自旋方向的影響。

這項研究延續了作者先前的研究，之前的研究聚焦於利用電場梯度，透過核電共振控制磷脂膜上鈉離子的核自旋。這項新研究擴充套件了先前的發現，揭示了電場梯度、氮原子取向和 DNA 鹼基結構之間的複雜關係，加深了對透過分子層級的人工幹預進行 DNA 運算的理解，並為未來量子電腦設計和遺傳資訊處理的創新方法鋪平了道路。

參考文獻：Yu Zheng 和 Quansheng Ren 所著〈利用電場梯度和核自旋在 DNA 中編碼遺傳和結構資訊〉，2024 年 12 月 12 日，《智慧運算》。DOI: 10.34133/icomputing.0094