UFOeUAPARQUIVO EM PORTUGUÊS

Data: 10/12/2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA

DIA, 2010: estudo do AAWSAP avalia computadores quânticos e de DNA para missões espaciais em horizontes de 10 a 40 anos

O DIRD de 10 de dezembro de 2010 revisa a computação quântica e a computação molecular com DNA como alternativas aos chips de silício em futuras viagens espaciais. O autor prevê computadores quânticos de íons em até 10 anos, computação óptica em cerca de 20 e dispositivos de DNA e híbridos de pontos quânticos na escala de 40 anos.

Dossiê completoHistória da investigação
Data do evento
10/12/2010
Local
Relatório preparado para a Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA
Tema
História da investigação
Órgãos das fontes
DOW
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1 documento · 54 páginas
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117 min
Capa com o selo da Agência de Inteligência de Defesa, a data de 10 de dezembro de 2010 e o título do relatório sobre computação quântica e moléculas orgânicas.Capa de relatório oficialPágina física 1
Capa de relatório oficial · Defense Intelligence Agency (DIA) · Página física 1 do arquivo divulgado. Capa do DIRD “Quantum Computing and Utilizing Organic Molecules in Automation Technology”, de 10 de dezembro de 2010, com o selo da DIA, a linha Defense Futures, a data de ICOD e o número DIA-08-1102-005. Página física 1. A marca de uso restrito aparece riscada na capa. A capa só identifica o documento e não mostra conteúdo científico. Fonte documental ↗ · Ampliar imagem ↗

FONTES DOCUMENTAIS · DOW

O que os registros contam

Este é um estudo técnico de referência, não um relato de avistamento. O Documento de Referência de Inteligência de Defesa (DIRD) “Quantum Computing and Utilizing Organic Molecules in Automation Technology” (Computação quântica e uso de moléculas orgânicas em tecnologia de automação) é datado de 10 de dezembro de 2010, tem o número DIA-08-1102-005 e faz parte da série Defense Futures. Foi preparado pela Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4), do Escritório de Alerta de Defesa, na Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA. O nome do autor foi substituído por “AAP Person 73”.

A folha de rosto diz que o produto integra uma série de relatórios de tecnologia avançada do ano fiscal de 2010, produzidos no programa AAWSA (Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados), e define o DIRD como informação de referência “não substantiva, porém autorizada”. A justificativa que o próprio texto dá para o tema é aeroespacial: viagens espaciais futuras exigiriam computadores poderosos a bordo, porque enviar à Terra os dados de sensores astronômicos, da nave e da tripulação causaria atrasos de minutos a horas, e os chips comerciais de silício dificilmente seriam resistentes à radiação sem adaptações caras.

O estudo apresenta duas alternativas. A primeira é a computação quântica, explicada desde os fundamentos (qubits, superposição, emaranhamento, decoerência, tolerância a falhas) até os pontos quânticos de grafeno como candidatos a qubits de spin, com um resumo das tecnologias inorgânicas concorrentes: fótons, armadilhas de íons e de átomos, ressonância magnética nuclear e supercondutores. A segunda é a computação molecular com DNA: pareamento de bases, montagem de peças de DNA, origami, portas lógicas, circuitos que jogam o jogo da velha, nanomotores e pequenos “caminhantes” moleculares, que o autor propõe como máquinas capazes de reparar os próprios circuitos.

O horizonte tecnológico vem explícito no resumo. Em até 10 anos, os primeiros computadores quânticos úteis seriam de armadilhas de íons, que o autor considera impraticáveis para o espaço por exigirem criogenia e blindagem pesadas. Computadores ópticos ficariam para cerca de 20 anos e, na escala de 40 anos, projetos híbridos de pontos quânticos e canais de fótons e dispositivos de DNA seriam ferramentas de exploração espacial, como sensores sem fio lançados de órbita para procurar água em planetas ou asteroides. O texto ressalva que o DNA não daria os sistemas mais rápidos, mas talvez os mais robustos, pela autorreparação.

Todas essas datas são projeções do autor, baseadas na quantidade de pesquisa em andamento em 2010, e não resultados obtidos. O relatório não afirma que algum dos dispositivos descritos tenha sido construído para uso espacial e registra, por exemplo, que a NASA cancelou em 2009 o teste espacial de um supercomputador de componentes comerciais. Também trata a computação com DNA como engenharia inspirada na biologia, sem sugerir origem desconhecida ou tecnologia antiga.

O documento não menciona UFOs nem UAPs, nem engenharia reversa. Sua presença na série do AAWSAP mostra que o programa, além de estudos sobre propulsão e física especulativa, encomendou revisões gerais de tecnologias que poderiam equipar plataformas aeroespaciais futuras ou serem desenvolvidas por outros países. O estudo cita mais de cem referências bibliográficas e traz figuras de estruturas de grafeno, montagens de DNA e experimentos, que são reproduções de trabalhos publicados e não imagens produzidas por este programa.

LEITURA DIRETA DO ARQUIVO

O documento, em português

Traduzidas na íntegra as páginas físicas 1 a 27: capa, expediente, sumário e lista de figuras, resumo, introdução, o texto sobre computação quântica (pontos quânticos de grafeno, tecnologias inorgânicas adicionais) e o início da seção sobre computadores de DNA, até a montagem de peças. As páginas 28 a 54 (erros na automontagem, microfluídica, origami, portas lógicas, nanomotores, discussão, conclusão e referências) são traduzidas em bloco à parte. Fórmulas e equações foram reproduzidas na notação do original; os gráficos e esquemas aparecem descritos entre colchetes.

TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Documento de Referência de Inteligência de Defesa Defense Futures (Futuros da Defesa) 10 de dezembro de 2010 Data de encerramento das informações (ICOD): 10 de dezembro de 2010 DIA-08-1102-005 Computação Quântica e Uso de Moléculas Orgânicas em Tecnologia de Automação NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL

Nota editorial: Capa do Documento de Referência de Inteligência de Defesa de 10 de dezembro de 2010, número DIA-08-1102-005.

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UNCLASSIFIED/ ,<FOR. OFFI@IAL l!ISI!! 8HLY Defense Intelligence Reference Document Defense Futures 10 December 2010 !COD: 10 December 2010 DIA-08 -1102 -005 Quantum Computing and Utilizing Organic Molecules in Automation Technology UNCLASSIFIED/ /FOR 066iliCili.t.k WS& 8,.Llf

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TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Em comparação, os diâmetros atômicos variam de cerca de 0,1 nm a 0,5 nm, com o silício em torno de 0,2 nm, ou seja, apenas um fator de 100 menor. À medida que os elementos de circuito diminuem, o número de átomos que compõem os materiais em volume diminui e ignorar os efeitos quânticos individuais torna-se problemático. Essa é a escala mesoscópica. Nesse tamanho, os efeitos quânticos podem introduzir ruído no circuito, devido à natureza imprevisível das funções de onda subjacentes.ᵉ Quando o circuito encolhe a apenas alguns átomos, os efeitos quânticos emergirão do domínio do ruído e dominarão o comportamento elétrico. Pensa-se que explorar, em vez de evitar, os fenômenos quânticos pode se mostrar útil nesse regime para tecnologias inorgânicas. Seguindo a lei de Moore, em menos de 10 anos os elementos de circuito inorgânicos terão menos de 5x5 moléculas em extensão bidimensional. (As máquinas moleculares construídas com componentes orgânicos, principalmente DNA, são tratadas em seção posterior.) Reduzir a tecnologia tradicional de processamento geral baseada em silício a essa escala microscópica é uma motivação para desenvolver novos tipos de máquinas baseadas em fenômenos quânticos, mas não é a única. Elementos de circuito menores diminuíram o tempo de acomodação dos transistores e, portanto, das portas nas CPUs, permitindo uma frequência de relógio maior (a CPU pode executar a instrução seguinte com menor atraso em relação à última). As CPUs de hoje obtêm a maior parte do seu desempenho de arquitetura paralela, executando várias instruções ao mesmo tempo em diferentes linhas de processamento (pipelines). Usar circuitos menores consome, em geral, menos energia, e isso permite empacotar mais elementos paralelos em um invólucro de potência razoável. A marcha rumo a circuitos menores continua sem diminuir, de modo que é essencial planejar para as eventuais características dominadas pela física quântica. É comum usar a analogia do laser para elucidar os desenvolvimentos de aplicação possíveis com a computação quântica. Em certo sentido, o laser é apenas mais uma tecnologia de hardware que produz luz. As tecnologias de luz anteriores incluem o fogo alimentado por material orgânico (cerca de 50.000 a.C.), as lâmpadas incandescentes (início do século XIX) e as câmaras fluorescentes (meados do século XIX). A fonte de luz a utilizar não é regida pela sofisticação da tecnologia, mas pelas exigências da aplicação. Pode-se ler à luz de laser, mas a luz incandescente, mais antiga e mais barata, dará uma iluminação perceptível superior a uma página. A computação tradicional baseada em semicondutores é barata e bastante poderosa para controlar a navegação ou acionar os mostradores de estado da nave. A analogia do laser é ainda reveladora porque são os efeitos quânticos que produzem um tipo especial de luz, a luz coerente. A luz coerente tem um único comprimento de onda, com todos os fótons viajando na mesma direção.ᶠ Essa coerência é uma consequência natural da conservação do momento no processo de absorção e emissão. (4) A luz coerente é muito útil em algumas aplicações que exigem baixa dispersão; por exemplo, fazer um feixe refletir num espelho na Lua ou, de modo mais prosaico, o ponto de destaque preciso de uma apresentação de PowerPoint projetada. Os usos práticos do laser não são universalmente maiores ou menores, mais rápidos ou mais lentos, ou mais ou menos eficientes em energia do que as outras tecnologias de hardware que produzem luz; são apenas diferentes. Do mesmo modo, quando pensamos em que hardware e aplicações surgirão com a computação quântica, eles também não são necessariamente maiores, menores ou mais rápidos do que os métodos tradicionais; são apenas diferentes, e muitos não poderiam ser realizados com tecnologias tradicionais. (5) ᵈ Passo (pitch) é a distância entre elementos de circuito repetidos. O mais interessante da tecnologia de 22 nm é que ela foi produzida com litografia de 192 nm. ᵉ Na escala mesoscópica, as funções de onda individuais não são preparadas a priori nem controladas em sua propagação. Alguns dos componentes de ruído são correlacionados. ᶠ A luz laser é, na verdade, de largura de banda muito estreita, e não de valor único. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 9

Nota editorial: Explica escalas de circuitos, limites de miniaturização e a analogia do laser para ilustrar que a computação quântica seria diferente, e não apenas mais rápida, do que a tradicional.

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UNCLASSIFIED/ /FOR: 8FFl@IJIIL tt9I!!! er•t I pitch.d By comparison, atomic diameters range from around 0.1 nm to 0.5 nm, with silicon ~0.2 nm, or only a factor of 100 smaller. As circuit elements decrease in size, the number of atoms making up the bulk materials decreases and ignoring individual quantum effects becomes problematic. This is the mesoscopic scale. At this size, quantum effects can introduce noise into the circuit as the unpred ictable e nature of the underlying wave functions. Once the circuit size shrinks to only a few atoms, quantum effects will emerge from the noise domain to dominate the electrical behavior. It is thought that exploiting rather than avoiding quantum phenomena may prove useful in this regime for inorganic technologies. Following Moore's law, in less than 10 years inorganic circuit elements will be less than 5x5 molecules in 2-D extent. (Molecular machines built of organic components, primarily DNA, are discussed in a later section.) Shrinking traditional silicon-based general-processing technology to this microscopic scale is one motivation for developing new types of machines based on quantum phenomena, but it is not the only one. Smaller circuit elements decreased the settling time of transistors and thus gates on CPUs, allow ing increasing clock speed (the CPU can execute the next instruction with shorter delay from the last instruction). CPUs today get most of their performance with parallel architecture, executing several instructions at once in different pipelines. Using smaller circuitry in general consumes less power, and this allows more parallel elements to be packed into a reasonable wattage package. The march toward smaller circuitry is continuing unabated so plann ing for the eventual quantum­ dominant characteristics is essential. It is common to use the analogy of the laser to elucidate the application developments possible with quantum computing. In one sense, the laser is just another hardware technology that makes light. Earlier light technologies include organic-fueled fire (~50,000 BC), incandescent bulbs (early 19th c.), and fluorescent chambers (mid-19 th c.). The light source to utilize is not governed by the highness of the technology, but by requirements of the application. One can read by laser light, but older and cheaper incandescent light will provide superior perceptible illumination to a page. Traditional semiconductor-based computing is cheap and plenty powerful for controlling navigation or driving ship status displays. The laser analogy is further revealing in that it is quantum effects producing a special kind of light that is coherent. Coherent light is single wavelength with all photons travelling in the same direction .f This coherence is a natural consequence of conservation of momentum in the absorption/emission process. (4) Coherent light is very useful for some applications that require low dispersion; for example, bouncing a beam off of a mirror on the moon, or the more pedestrian pinpoint highlight of a projected PowerPoint presentation. The practical uses of the laser are not universally bigger or smaller, faster or slower, or more or less energy efficient than the other hardware technologies that produce light, they are just different. Similarly, when we think of what hardware and applications will arise for quantum computing, they too are not necessarily bigger, smaller, or faster than traditional methods; they are just different, and many could not be accomplished with traditional technologies. (5) d Pitch is the distance between repeat circuit elements. What is most interesting about the 22 nm technology is that it was produced with 192 nm lithography. • At the mesoscopic scale, indiv idual wave functions are not prepared a priori or controlled in their propagati on. Some of the noise components are correlated . 'Laser light is actually very narrow bandwidth rather than single-valued. UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&Iit.k W&E OHkY 9

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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL APLICAÇÕES DOS COMPUTADORES QUÂNTICOS Embora circuitos menores e supercomputação sejam um motivador, a aplicação que impulsiona a computação quântica é a criptografia. Primeiro, há a quebra de cifras. A grande maioria das comunicações seguras utiliza um método conhecido como criptografia de chave pública. Nesse método, o código se baseia nos fatores primos de um inteiro muito grande, que é publicamente disponível. A chave privada é um dos fatores do inteiro e isso permite ao receptor da informação decifrar o código com facilidade. A força dessa técnica é que os algoritmos de computadores tradicionais levarão muito tempo para adivinhar os fatores corretos da chave pública, da ordem de meses.ᵍ Os métodos tradicionais de força bruta exigem um número de passos que cresce como função exponencial do tamanho da chave pública. No entanto, em 1994 Shor apresentou um algoritmo quântico que exigiria apenas um número polinomial de passos, diminuindo drasticamente o tempo necessário para fatorar, supondo que um computador quântico algum dia viesse a ser fisicamente realizado. (6) Esse ganho de velocidade se deve principalmente à natureza das ondas quânticas; especificamente, elas podem seguir vários caminhos paralelos em vez da habitual execução procedimental passo a passo das instruções. Esse conceito de aceleração por superposição é mais fácil de entender numa busca aleatória de dados. Considere um algoritmo que tem 50% de probabilidade de localizar um número de telefone específico em um banco de dados de N números por busca aleatória. O algoritmo procedimental exigirá em média 0,5N consultas para localizar o número correto. Um algoritmo quântico, por outro lado, pode ser concebido de modo a acumular informação examinando vários números a cada passo. Mostrou-se que tal esquema reduz o número de exames necessários a √N. (7, 8) A superposição de estados permite examinar e processar várias células de fita simultaneamente em uma máquina de inspiração turingiana. Segundo, há a comunicação quântica. Quando a criptografia de chave pública for facilmente quebrada pelo computador quântico, será preciso uma nova cifra para substituí-la. O experimento canônico de comunicação quântica define um remetente, Bob, e uma receptora, Alice. Na maioria dos cenários, Alice e Bob se comunicam à distância usando partículas emaranhadas e uma linha aberta tradicional. A linha aberta transmite informação sobre os ajustes de medição, mas é inútil para um observador sem acesso à função de onda emaranhada (o emaranhamento é discutido adiante, e a informação da linha aberta é análoga à chave pública das cifras atuais). A outra vantagem desse arranjo é que quase qualquer perturbação na linha de comunicação entre Alice e Bob destruiria o emaranhamento e, assim, a informação seria perdida em vez de interceptada. Outros participantes arquetípicos de um experimento ou cenário de comunicação seguem o alfabeto inglês: Charlie (ou Chuck, se sua intenção for maliciosa), Dave, Eve etc. A comunicação quântica é, portanto, uma aplicação que substitui uma realizada por uma máquina de computação de uso geral; os sistemas clássico e quântico não operam de forma semelhante, exceto quanto à função de transmitir informação com segurança. Além disso, a comunicação quântica foi sugerida como método para conectar sistemas quânticos isolados sem perturbar os requisitos de caixa fechada, como fariam as intervenções clássicas. (9, 10) Além da criptografia, uma terceira aplicação é a metrologia quântica, em que o tempo e/ou a distância são medidos com altíssima precisão. Uma quarta aplicação óbvia é a simulação de sistemas quânticos. (11, 12) ᵍ Ou horas, se houver fazendas de supercomputadores. O ponto é que o valor da maioria das comunicações é muito menor do que o custo de decifrá-las por força bruta. O padrão web de 128 bits é um compromisso entre segurança e velocidade. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 10

Nota editorial: Resume aplicações da computação quântica: criptografia (algoritmos de Shor e de busca), comunicação quântica, metrologia e simulação. Os ganhos descritos dependem de computadores quânticos ainda não realizados.

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UNCLASSIFIED/ /POK: OPPIClltL U.!r:: Oflt I APPLICATIONS OF QUANTUM COMPUTERS Although smaller circuitry and supercomputing is a motivator, the driving application behind quantum computing is cryptography. First, there is cracking cipher codes. The vast majority of secured communications utilize a method known as public-key cryptography . In this method, the code is based on the prime number factors of a very large integer which is publically available. The private key is one of the integer factors and this allows the receiver of information to decipher the code easily. The strength of this technique is that traditional computer algorithms will take a long time to guess the correct factors of the public key, on the order of months. 9 Traditional brute force methods require a number of steps that increase as an exponential function of the size of the public key. However, in 1994 Shor presented a quantum algor ithm that would only require a polynomial number of steps, thus dramatically decreasing the required time to factor, assuming a quantum computer would ever be physically realized. (6) This speedup is primarily due to the nature of quantum waves; specifically, they can follow several parallel paths instead of the usual stepwise procedural execution of instructions. This accelerat ion by superposition concept is more easily understood in a random search of data. Consider an algorithm that has a 50% probability to locate a specific phone number in a database of N phone numbers by a random search. The procedural algorithm on average will require O.SN inquiries to locate the correct number. A quantum algorithm on the other hand can be devised that accumulates information by examining multiple numbers with each step. Such a scheme has been shown to reduce the number of examinations required to .JN. (7, 8) The superposition of states allows examination and processing of several tape cells simultaneously in a Turing-inspired machine. Second, there is quantum communication. Once public key encryption is easily broken by the quantum computer, a new cipher needs to replace it. The canonical quantum commun ication experiment defines a sender, Bob, and a receiver, Alice. In most scenarios, Alice and Bob communicate over a distance using entangled particles and a trad iti onal open line. The open line relays information about measurement sett ings, but is useless to an observer without access to the entangled wave function (entanglement is discussed below, and the open line information is an analogue to the public key of current ciphers). The other advantage of this setup is that almost any disturbance in the commun ication line between Alice and Bob would destroy entanglement and thus the information would be lost instead of intercepted. Additional archetypical participants in a communications experiment/scenario follow the English alphabet: Charlie (or Chuck if his intent is malicious), Dave, Eve, etc. Quantum communication is thus an application replacing one performed by a general purpose computing machine ; the classical and quantum systems do not operate in similar fashion other than the function of securely transmitting information. Additionally, quantum communication has been suggested as a method to connect isolated quantum systems without disturbing closed box requirements like classical interventions would. (9, 10) Beyond cryptography is a third application, quantum metrology, where time and/or distance are measured to an extremely high accuracy . A fourth obvious application is simulation of quantum systems. (11, 12) 9 Or hours if one has farms of supercomputers. The point is that the value of most communication is much smaller than the cost to decipher by brute force. The 128-bit web standard is a compromise between security and speed. UNCLASSIFIED/ /POK: 9ffl@IAl W&li 8P◄ IL¥ 10

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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL A CAIXA FECHADA E A TOLERÂNCIA A FALHAS Nos circuitos tradicionais de transistores de silício, uma vez que um bit é fixado em 1 ou 0 por uma porta ou outro dispositivo que trava a tensão de saída, espera-se que esse valor permaneça ao longo dos ciclos de relógio seguintes até ser alterado de forma determinística.ʰ Além disso, os circuitos tradicionais se comportam segundo as mesmas regras a cada ciclo de relógio; ou seja, à medida que mais informação é processada, a operação repetida das portas não deteriora o mecanismo de travamento dos bits. Esse comportamento é obtido fornecendo energia constantemente aos circuitos. Qualquer interrupção dessa necessidade constante de energia externa e a integridade da informação no circuito de computação se perde.ⁱ Um princípio fundamental da mecânica quântica é que qualquer influência externa sobre um sistema perturba necessariamente o estado desse sistema. Essa influência pode ser uma perturbação externa ou um vazamento interno; qualquer das duas interações mudará o estado quântico interno. Esse processo destrutivo é conhecido como decoerência. As influências externas perturbam o sistema e, por isso, os circuitos precisam ser isolados do resto do universo, o que se conhece como requisito da "caixa fechada". As variações de tentativa para tentativa em um circuito quântico produzem um desvio crescente em relação a uma fase inicial, à medida que a função de onda evolui. Esse desvio entre tentativas causa decoerência numa escala de tempo denominada T2*. Embora uma única tentativa em um circuito quântico pudesse manter a coerência por mais tempo que T2*, na ausência de influência externa os componentes internos isolados do circuito precisam eventualmente chegar ao equilíbrio térmico por processos aleatórios: isso ocorre na escala de tempo T1. Além disso, a caixa fechada não pode ser perfeita, já que um dispositivo útil exige algum tipo de entrada e saída e, portanto, alguma pequena interação com o ambiente externo. As interações aleatórias com o ambiente, decorrentes desse "vazamento" do isolamento, desfasarão os sinais internos na escala de tempo T2. Essas três constantes de tempo, que descrevem os decaimentos do sinal interno, são muito semelhantes às grandezas de mesmo nome na ressonância magnética nuclear (RMN). A RMN é, de fato, um caminho tecnológico em desenvolvimento para circuitos quânticos. Cada tecnologia e projeto de hardware será caracterizado, quanto ao seu isolamento de influências externas e internas, por T2* (repetibilidade estável), T1 (resistência à entropia) e T2 (isolamento do resto do universo). Nenhum projeto pode estar completamente livre de decoerência e a consideração seguinte é quanta decoerência é aceitável ou, mais precisamente, qual é o limiar de tolerância a falhas para uma operação bem-sucedida. A tolerância a falhas não é uma grande preocupação na arquitetura tradicional de processamento,ʲ embora seja uma preocupação importante no armazenamento e na comunicação de informação. Para ilustrar a tolerância a falhas, considere uma configuração de armazenamento em disco rígido em que cada byte de 8 bits é gravado em 9 discos em uma configuração de conjunto em faixas (um bit por disco, lido em paralelo). O disco extra guarda informação de paridade sobre o byte. Bytes consecutivos deslocam a posição de todos os bits em um disco, de modo que a informação de paridade não fique toda no mesmo disco.ᵏ Caso um disco falhe, cada byte pode ser reconstruído a partir dos outros 8 discos por meio de um algoritmo de software que se inicia automaticamente quando a falha do disco é detectada. O hardware quebrado pode ser substituído e os dados reconstruídos enquanto o sistema opera nesse modo mais lento, "manco". Esse sistema de armazenamento é dito tolerante a falhas. A ʰ Para quem é novo nos fenômenos quânticos, pode parecer redundante usar a expressão "alterado de forma determinística". A expressão enfatiza que, na ausência de erro, os circuitos clássicos sempre mudam por intenção, enquanto os circuitos quânticos incluem o elemento de ocorrência aleatória. ⁱ Aqui nos referimos aos próprios circuitos de processamento. Alguns tipos de memória e de armazenamento de longo prazo podem, é claro, guardar informação isoladamente por tempo indefinido. ʲ Um resultado não determinístico no hardware de processamento causa um erro fatal nos projetos atuais. ᵏ O conjunto em faixas por bit é instrutivo quanto ao princípio em questão, mas, por razões de engenharia, configurações mais complexas são usadas na prática. Ver o verbete "RAID" da Wikipedia para os esquemas reais de distribuição de dados. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 11

Nota editorial: Explica decoerência, a exigência de isolamento (a caixa fechada) e os tempos T2*, T1 e T2, e introduz a tolerância a falhas por analogia com o armazenamento em discos.

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UNCLASSIFIED/ /EAR OEFIClt.k WSIE ertt I THE CLOSED BOX AND FAULT TOLERANCE In traditional silicon transistor circuits, once a bit is set to 1 or O by a gate or other device locking the output voltage, that value is expected to remain through subsequent clock cycles until deterministically changed.h Additionally, traditional circuits behave by the same rules for each clock cycle; that is, as more information is processed, repeated gate operation does not deteriorate the bit latching mechanism. This behavior is achieved by constantly providing energy to the circuits. Any interruption in this constant need for power from the outside and the integrity of the information in the computing circuit is lost. 1 A fundamental principle of quantum mechanics is that any external influence on a system necessarily disturbs the state of that system. This influence could be external disruption or internal leakage - either interaction will change the internal quantum state. This destructive process is known as decoherence. External influences will disturb the system and thus the circuits need to be isolated from the rest of the universe, also known as the 'closed box' requirement. Trial to trial variations in a quantum circuit produce an increasing deviation from an initial phase as the wave function evolves. This trial-to-trial deviation causes decoherence on a timescale termed T2*. Although a single trial in a quantum circuit could retain coherence longer than T2*, absent external influence the isolated internal circuit components must eventually come to thermal equilibrium through random processes: this occurs on timescale TL Moreover, the closed box cannot be perfect since a useful device requires some kind of input and output, thus some small interaction with the external environment is necessary. Random interactions with the environment from this isolation 'leakage' will dephase internal signals on timescale T2. These three time constants that describe the internal signal decays are very similar to the same named quantities in nuclear magnetic resonance (NMR). NMR is indeed a technology path under development for quantum circuits. Each technology and hardware design will be characterized in its isolation from external and internal influences by T2* (stable repeatability), Tl (resistance to entropy), and T2 (isolation from the rest of the universe). No design can be completely free of decoherence and the next consideration is how much decoherence is acceptable, or more precisely, what is the fault tolerance threshold for successful operation? Fault tolerance isn't much of a consideration in traditional processing architecture,i although it is a major consideration in storage and communication of information. To illustrate fault tolerance, consider a scheme of hard disk storage configuration where each 8-bit byte is written across 9 disks in a stripe-set configuration (one bit per disk, read in parallel). The extra disk holds parity information about the byte. Consecutive bytes shift the location of all bits one disk so the parity information isn't all stored on the same disk.k In the event one disk fails, each byte can be reconstructed from the other 8 disks using a software algorithm that automatically starts when the disk failure is detected. The broken hardware ca n be replaced and the data reconstructed while the system is operating in this slower 'limp' mode. This storage system is said to be fault tolerant. The h For those new to quantum phenomena, it may seem redundant to use the phrase "deterministically changed ." The phrase emphasizes the point that absent any error, classical circuits are always changed by intent, while quantum circuits include the element of random occurrence . ; Here we refer to the processing circuits themselves. Some types of memory and long term storage can of course hold information in isolation indefinitely . J A non-determ inistic result in processing hardware causes a fatal error in current des igns. k The bitwise stripe-set is instructive on the principle at hand, but for engineering considerations , more complex configurations are used in practice. See Wikipedia "RAID" for actual data distribution schemes . UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL YSE 8P.k¥ 11

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TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL detecção da falha do disco e a assunção do algoritmo na fase de leitura constituem o esquema de correção de erros. Em um sistema quântico, a correção de erros é realizada de maneira semelhante; ou seja, o estado de um qubit é definido por vários subespaços do espaço lógico e, em seguida, várias medições são realizadas sobre o subespaço sem perturbar o próprio estado. O estado original pode ser reconstruído pela medição parcial. Como exemplo ilustrativo, considere o espaço de um qubit definido pelo spin de um elétron para cima ou para baixo. Primeiro, redefina esse estado unidimensional em um sistema tridimensional oblíquo, de modo que o spin para cima fique no octante (+x,+y,+z) e o spin para baixo, portanto, no octante (-x,-y,-z). Se a medição de x der positivo, o estado original era para cima; medir x e y ambos positivos dá uma segurança adicional de que o estado era de fato para cima. Se x e y forem diferentes, z serve de desempate. Nesse sistema de exemplo, são permitidas taxas de erro de 33%. Naturalmente, os sistemas realizáveis são mais complexos e toleram apenas taxas de erro na faixa de 3%. Essa diferença se deve principalmente à necessidade de perturbar o sistema o mínimo possível no que se conhece como medição quântica não destrutiva (medição QND). (13, 14) Em resumo, a tolerância a falhas é possível se puder ser demonstrado um mecanismo QND para medir qubits. ESCALABILIDADE Uma vez construída uma caixa fechada, a consideração seguinte para uma tecnologia bem-sucedida de processamento quântico da informação (QIP) é saber se os elementos de circuito são escaláveis. Ou seja, se elementos que se mostraram capazes de funcionar como bits quânticos podem ser combinados em circuitos maiores a um custo razoável de recursos (tempo de computação, tempo de decoerência, espaço físico ou potência exigida). A natureza exata do aumento de escala de engenharia necessário é específica de cada tecnologia. A unidade do QIP (processamento quântico da informação) é o qubit.ˡ Diferentemente da lógica digital, a mecânica quântica aumenta o conteúdo de informação de N qubits por meio da superposição. Ou seja, as ondas quânticas podem viajar por vários caminhos e conter uma superposição de estados, aumentando a quantidade de informação em cada canal. Além disso, qualquer sistema de N qubits pode ter graus de emaranhamento. Esse emaranhamento torna o estado simples (1,0,0) diferente de (1,0,0) com (x,0,0) emaranhado, diferente de (1,0,0) com (1,0,x) emaranhado, e assim por diante. Quando há 4 qubits, o emaranhamento pode ocorrer entre 2, 3 ou todos os 4 bits, bem como 2 com 2. O espaço lógico cresce rapidamente a proporções "bunyanescas" e fica facilmente fora do alcance da simulação ou mesmo da representação por N ou até N² bits clássicos. Considerando que se poderia começar com qupits ou qudits (ver nota ˡ), fica logo óbvio que os computadores quânticos têm um enorme potencial computacional quando escaláveis. LÓGICA UNIVERSAL O número muito grande de estados possíveis de um computador quântico abrange o que na matemática se conhece como espaço de Hilbert, uma versão generalizada do espaço euclidiano com dimensão arbitrária (finita ou infinita), sendo 3 as dimensões do espaço euclidiano. O conceito de lógica universal exige que esse grande espaço de Hilbert seja acessível com um conjunto finito de operações de controle. Na maioria dos projetos, essas operações de controle são poucas e são os análogos quânticos das portas digitais que realizam operações sobre qubits. ˡ Por razões didáticas, a discussão limita-se aos qbits; porém, estados p e d também poderiam ser usados como unidade básica (qpits ou qdits), ampliando muito o conteúdo possível de informação em um único canal. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 12

Nota editorial: Descreve a correção quântica de erros por medições não destrutivas, a escalabilidade dos qubits e o crescimento do espaço de estados emaranhados; os percentuais são exemplos didáticos, não resultados de teste.

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UNCLASSIFIED/ /fQR OFFICI0k WSE 8HLI drive failure detection and algorithm takeover in the readout phase is the error correction scheme. In a quantum system the error correction is accomplished in a similar manner; that is, the state of a qubit is defined across multiple subspaces of the logic space and then several measurements are performed on the subspace that do not disturb the state itself. The original state can be reconstructed by the partial measurement. As an illustrative example consider the one-qubit space defined by an electron spin-up or spin-down. First, re-define this 1-d state in an oblique three-dimensional system such that spin-up is in the (+x,+y,+z) octant, and spin down is thus in the (-x,-y,-z) octant. If one measures x as positive the original state was up; measuring x and y both positive provides additional assurance the state was actually up. Measuring x and y different allows z as a tie-breaker. In this example system, 33% error rates are allowed. Of course realizable systems are more complex and only tolerate error rates in the 3% range. This difference is mainly due to the need to disturb the system as little as possible in what is known as a quantum non-demolition measurement (a QND measurement). (13, 14) In summary, fault tolerance is possible if a QND mechanism to measure qubits can be demonstrated. SCALABILITY Once a closed box has been constructed, the next consideration in successful quantum information processing (QIP) technology is whether circuit elements are scalable. That is, whether elements shown to perform as quantum bits can be combined into larger circuits at a reasonable cost of resources (computation time, decoherence time, physical space, or required power). The exact nature of the required engineering scale-up is specific to each technology. The unit of QIP (quantum information processing) is the qubit. 1 Different from digital logic, quantum mechanics increases the information content in N qubits through superposition. That is, quantum waves can travel through several paths and contain a superposition of states, increasing the amount of information in each channel. Furthermore, any system of N qubits can have degrees of entanglement. This entanglement makes the simple example state (1,0,0) different from (1,0,0) with (x,0,0) entangled, different from (1,0,0) with (1,0,x) entangled, etc. When there are 4 qubits, entanglement can occur with 2, 3 or all 4 bits, as well as 2 with 2. The logic space quickly grows to Bunyanesque proportions and is easily outside of the rea lm of simulation or even representation by Nor even N2 classical bits. Considering that one could start with qupits or qudits (see footnote I) it is quickly obvious that quantum computers have enormous computational potential when scalable. UNIVERSAL LOGIC The very large numbe r of possible states of a quantum computer spans what is known in mathematics as a Hilbert space, a generalized version of Euclidean space with arbitrary (finite or infinite) dimension (Euclidean space having 3 dimensions). The concept of a universal logic requires that this large Hilbert space be accessible with a finite set of control operations. For most designs these control operations are small in number and are the quantum analogues of digital gates performing operations on qubits. 1 For pedagogy, the discussion is limited to qbits ; however, p and d states could also be used as a basic unit (qpits or qdits ) thus greatly expanding the possible Information content In a single channel. UNCLASSIFIED/ /FOR &FFl&I.Tik WSE &Hk\f 12

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Dois esquemas especiais que operam de modo diferente dos análogos digitais da tecnologia baseada em portas são a computação quântica adiabática e a computação por estados de cluster. Em um projeto adiabático, a resposta é o estado fundamental de uma rede complexa de interações, e as interações são ligadas lentamente para fazer os qubits evoluírem do estado inicial até o estado fundamental final. No esquema de estados de cluster, o sistema é colocado em um estado particular pelo uso de um pequeno conjunto de portas de controle e a saída é medida repetidamente em uma base arbitrária (o mecanismo de tolerância a falhas). No caso adiabático, a computação é "programada" na configuração das interações. No caso dos estados de cluster, o cálculo produz uma superposição de estados que precisa de várias medições para garantir a interpretação correta. Mostrou-se que ambos os esquemas são equivalentes às tecnologias de circuitos baseados em portas. (15-17) INICIALIZAÇÃO E MEDIÇÃO Está implícita nas discussões acima a capacidade de colocar o computador quântico em um estado inicial conhecido, medir vários estados durante a computação, se necessário, e fornecer o estado final. Esses processos podem ser delicados quando se mantêm o isolamento e a baixa entropia. As técnicas de inicialização e medição são discutidas junto com cada tecnologia. A abordagem por pontos quânticos Um grande obstáculo na busca por projetar e construir um tipo radicalmente novo de computador quântico inorgânico tem sido encontrar uma maneira de manipular os elétrons individuais que provavelmente constituirão os qubits das novas máquinas. A capacidade de manipular e alterar um único elétron sem perturbar os trilhões de elétrons do entorno imediato tornou-se foco de pesquisa de muitos estudos. (18) (19)(20) Uma candidata é utilizar propriedades do spin intrínseco do elétron. Em 1925, o físico austríaco Wolfgang Pauli propôs que um elétron em um estado quântico só pode assumir um de dois estados: "spin para cima" ou "spin para baixo". (21) Uma abordagem para manipular de forma independente o estado de spin e a carga elétrica, para uso em computação quântica, surgiu no ponto quântico. Pontos quânticos (QDs) são pequenas ilhas dentro de uma rede cristalina de estado sólido onde os elétrons sofrem efeitos de carregamento, além de confinamento quântico, como um elétron em um nível de energia em torno de um núcleo. (22) Além de fornecer percepções fundamentais sobre a matéria, esses átomos artificiais também podem funcionar como blocos de construção para o controle da eletrônica no nível de um único elétron. Os chamados transistores de elétron único conseguem ligar e desligar o transporte de elétrons por um ponto por meio de portas elétricas, usando o efeito do bloqueio de Coulomb. Inversamente, pode-se usar o spin, em vez da carga, para controlar a condução elétrica em eletrônica de escala mesoscópica; esses "dispositivos eletrônicos controlados por spin", e seu desenvolvimento e estudo, chamam-se spintrônica. (23) Explorando o grau de liberdade de spin, um ponto quântico pode atuar como filtro de spin (24)(25)(26) ou como dispositivo de bloqueio de spin. (27) Propôs-se que os pontos quânticos hospedem um qubit de spin de elétron. Matrizes desses pontos quânticos, com acoplamentos de tunelamento ajustáveis entre eles, funcionariam como um computador quântico universal. (28) O progresso recente nessa área, usando gases bidimensionais de elétrons baseados em GaAs, é impressionante (29), embora a decoerência possa surgir da interação spin-órbita e da interação hiperfina com o(s) spin(s) nuclear(es) do material hospedeiro (30) (31) (32). Esses efeitos de decoerência podem ser reduzidos usando uma estrutura de rede com baixo momento magnético. O carbono tem momento magnético quase nulo, devido aos seis prótons e seis nêutrons emparelhados no isótopo ¹²C; um pequeno momento magnético líquido vem da contaminação natural de 1% por ¹³C. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 13

Nota editorial: Apresenta computação adiabática e por estados de cluster e introduz pontos quânticos e spintrônica como candidatos a qubits; trata de propostas e pesquisas em desenvolvimento.

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UNCLASSIFIED//FOR. 8FFI@IAL l!ISI!!! er~t I Two special schemes that operate differently than digital analogues of gate-based technology are adiabatic and cluster-state quantum computation . In an adiabatic design, the answer is the ground state of a complex network of interactions and the interactions are slowly turned on to evolve qubits from the initi al state to the final ground state . In the cluster-state scheme, the system is placed in a particular state through use of a small set of control gates and the output is repeatedly measured using arb itrary basis (the fault-tolerance mechanism). In the adiabatic case, the computation is 'programmed' in the setup of interactions. In the cluster-state case, the calculation produces a superposition of states that need several measurements to ensure correct interpretation. Both schemes have been shown to be equivalent to gate-based circuit technologies. (15-17) INITIALIZATION AND MEASUREMENT Implied in the discussions above is the ability to set the quantum computer into a known initial state, measure various states during computation if needed, and output the final state. These processes can be tricky while maintaining isolation and low entropy. The initialization and measurement techniques are discussed with each technology. The Quantum Dot Approach A major obstacle in the quest to design and construct a radically new kind of inorganic quantum computer has been finding a way to manipulate the single electrons that are likely to constitute the new machines' qubits . The ability to manipulate and alter a single electron without disturbing the trillions of electrons in the immed iate surround ings has become a research focus for many studies. (18) (19)(20) A cand idate is to utilize properties of the intrinsic spin of the electron. In 1925, Austrian physicist Wolfgang Pauli proposed that an electron in a quantum state can assume only one of two states-"spin-up" or "spin down." (21) One approach to manipulate spin state and electrical charge independently for use in quantum computing has arisen in the quantum dot. Quantum dots (QDs) are tiny islands within a solid state lattice where electrons experience charg ing effects as well as quantum confinement, like an electron in an energy level around a nucleus. (22) Besides fundamental insights into matter, these artificial atoms can also work as building blocks for the control of electronics at the single electron level. The so called single-electron transistors are able to switch on and off electron transport through a dot by means of electrical gates using the effect of Coulomb blockade. Conversely, one can use spin rather than charge to control electrical conduction in mesoscopic-scale electronics; such "spin-controlled electronic devices," and the ir development and study, are termed spintronics. (23) Exploiting the spin degree of freedom, a quantum dot can act as a spin filter (24)(25)(26) or as a spin-blockade device. (27) Quantum dots have been proposed as host for an electron -spin qubit . Arrays of such quantum dots with tunable tunnel-couplings between them would work as a universal quantum computer. (28) Recent progress in this field using GaAs-based two-dimensional electron gases is impressive (29), though decoherence can arise from spin-orbit and hyperfine interaction with the nuclear-spin(s) of the host material (30) (31) (32). These decoherence effects can be reduced by using a lattice structure with low magnetic moment. Carbon has near zero magnetic moment due to the six each paired protons and neutrons in carbon isotope 12C; a small net magnetic moment comes from the natural 1% contamination of 13C. UNCLASSIFIED//fdk OFFICIAL U:!I!!! 9HL'I 13

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Pontos quânticos eletrostáticos em grafeno A forma grafeno do carbono, uma folha hexagonal com a espessura de um único átomo, é um substrato candidato para pontos quânticos. No entanto, dois desafios fundamentais precisam ser superados antes que o grafeno possa ser usado para formar e operar qubits de spin. Primeiro, é difícil criar um ponto quântico ajustável no grafeno por causa da ausência de uma lacuna de energia no espectro de bandas. Os elétrons em materiais com lacuna de energia tão pequena exibem tunelamento de Klein, o que complica os esforços para confinar partículas (33) (34) (35). Segundo, por causa da degenerescência de vales que existe no grafeno, (36)(37)(38) não é trivial formar portas de dois qubits usando acoplamento de troca de Heisenberg para spins em pontos acoplados por tunelamento. Fizeram-se tentativas de resolver o primeiro problema, como usar estados transversais adequados em fitas de grafeno para confinar elétrons (39), combinar regiões de camada única e bicamada de grafeno (40) ou obter o confinamento por meio de campos magnéticos não homogêneos. (41) O segundo problema só foi resolvido recentemente, e cientistas criaram um método para confinar os elétrons em um único vale por meio de estados transversais adequados em uma fita de grafeno, o que parece superar essas limitações. (42) A abordagem usada em pontos quânticos de GaAs (43) não é possível por causa do tunelamento de Klein. Figura 1. Estrutura hexagonal do grafeno. Há várias maneiras de induzir uma lacuna no grafeno em volume. Em geral, o confinamento quântico pode levar à abertura de uma lacuna em fitas (44) (45) (46). Dentro da aproximação de ligação forte (tight-binding) do grafeno, condições de contorno do tipo armchair podem levar a um isolante e a pontos quânticos ajustáveis por porta (Figura 2). Outra direção promissora é partir do grafeno em volume e induzir uma lacuna pela interação com um substrato. (47)(48)(49) Três arquiteturas de pontos quânticos que permitem estados ligados ajustáveis por campos eletrostáticos são: (i) nanofitas de grafeno com bordas terminadas em armchair, (ii) discos em grafeno de camada única e (iii) discos em grafeno bicamada. Dá-se ênfase especial à capacidade de quebrar de forma controlada a degenerescência de vales, pré-requisito para portas spintrônicas de dois qubits (50) (51) no grafeno. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 14

Nota editorial: Figura 1 mostra a rede hexagonal do grafeno; o texto discute o confinamento de elétrons, o tunelamento de Klein e arquiteturas propostas de pontos quânticos.

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UNCLASSIFIED/ /EOA QFFl&Il.l Y81: 8HtY Electrostatic Quantum Dots in Graphene The graphene form of carbon, a hexagonal sheet array single atom thick, is a candidate substrate for quantum dots. However, two fundamental challenges need to be overcome before graphene can be used to form and operate spin qubits. First, it is difficult to create a tunable quantum dot in graphene because of the absence of an energy gap in the band spectrum. Electrons in such low energy gap materials exhibit Klein tunneling, and complicating efforts to confine particles (33) (34) (35). Second, due to the valley degeneracy that exists in graphene, (36)(37)(38) it is non-trivial to form two-qubit gates using Heisenberg exchange coupling for spins in tunnel-coupled dots. Attempts have been made to solve the first problem, such as to use suitable transverse states in graphene ribbons to confine electrons (39), to combine single and bilayer regions of graphene (40), or to achieve confinement by using inhomogeneous magnetic fields. ( 41) The second problem has only been realized recently, and scientists have created a method to confine the electrons in a unique valley through suitable transverse states in a ribbon of graphene which appears to overcome these limitations. (42) The approach as used in GaAs quantum dots ( 43) is not possible due to Klein tunneling. Figure 1. Hexagonal structure of graphene. Several ways are possible to induce a gap in bulk graphene. In general, quantum confinement can lead to the opening of a gap in ribbons (44) (45) (46). Within the tight­ binding approximation of graphene, armchair boundary conditions can lead to an insulator and gate-tunable quantum dots (Figure 2). Another promising direction is to start with bulk grapheme and induce a gap via the interaction with a substrate. (47)(48)(49) Three quantum dot architectures that allow for bound states tunable by electrostatic fields are: (i) graphene nanoribbons with armchair­ terminated boundaries, (ii) discs in single-layer graphene, and (iii) discs in bilayer graphene. Special emphasis is given on the ability to controllably break the valley degeneracy, a prerequisite for two-qubit spintronic gates (50) (51) in graphene. UNCLASSIFIED/ /FOR AEEICIAk W&i &Ptllf 14

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TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Pontos quânticos em nanofitas de grafeno As fitas de grafeno são tiras unidimensionais de grafeno. Podem ser consideradas nanotubos de carbono desenrolados. As fitas de grafeno foram propostas por Nakada et al. em 1996 (52). Nakada usou o mesmo modelo de ligação forte de um único orbital que descreve com sucesso o grafeno bidimensional como um semimetal; as fitas de grafeno são metálicas ou semicondutoras, dependendo de sua orientação cristalográfica e largura. Cálculos mais realistas, usando o modelo de Hubbard em aproximação de campo médio e cálculos de teoria do funcional da densidade, mostram que as fitas em zigue-zague são isolantes devido à magnetização de suas bordas, com orientação de spin oposta em cada borda. Constatou-se que essa fase isolante antiferromagnética tem uma ordem ferroelétrica subjacente oculta, que pode ser descrita como um isolante excitônico cujo parâmetro de ordem é o operador de dipolo resolvido em spin, o análogo do operador de corrente de spin (53). Nanoconstrições longas (≥1 µm) de grafeno exibem comportamento com lacuna: a condução é suprimida por várias ordens de grandeza para uma ampla faixa de tensões de porta em torno do ponto de Dirac e para dezenas de milivolts de polarização fonte-dreno (54) (55). Figura 2. Ponto quântico em nanofita de grafeno. Esquematiza-se uma fita de grafeno com bordas armchair semicondutoras. Duas portas de barreira (azuis) definem o tamanho retangular do ponto quântico (com largura W e comprimento L). Uma porta traseira (vermelha) permite deslocar os níveis de energia no ponto. Dois ou mais pontos quânticos desse tipo podem ser facilmente colocados em série em uma única nanofita. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 15

Nota editorial: Figura 2: esquema de ponto quântico em nanofita de grafeno, com duas portas de barreira e uma porta traseira; o texto resume a teoria das fitas de grafeno.

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UNCLASSIFIED/ /FOA 8FFl&I.t.k WSli 8,.k\f Quantum Dots in Graphene Nanoribbons Graphene ribbons are one dimensional stripes of graphene. They can be considered as unfolded carbon nanotubes. Graphene ribbons were proposed by Nakada et al in 1996 (52). Nakada used the same single orbital tight-binding model that successfully portrays two­ dimensional graphene as a semimetal; graphene ribbons are either metallic or semiconducting depending on their crystallographic orientation and width. More realistic calculations using the Hubbard model in a mean field approximation and density functional calculations show that zigzag ribbons are insulating due to the magnetization of their edges with opposite spin orientation in each edge. It has been found that this anti-ferromagnetic insulator phase has a hidden underlying ferroelectric order that can be described as excitonic insulator whose order parameter is the spin-resolved dipole operator, the analog of the spin current operator (53). Long (gl µm) graphene nanoconstrictions display gapped behavior: conduction is suppressed by several orders of magnitude for a wide range of gate voltages around the Dirac point, and for tens of millivolts of source-drain bias (54) (55). Figure 2. Quantum dot in graphene nanoribbon. A ribbon of graphene with semi-conducting armchair boundaries is schematically shown. Two barrier gates (blue) define the rectangular size of the quantum dot (with width W and length L). A back gate (red) allows one to shift the energy levels in the dot. Two or more quantum dots of this type can be easily put in series in a single nanoribbon. UNCLASSIFIED// FOR OPPICIJ!tt U:!I!! 8HL\S 15

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TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL [Figura 3, esquerda: diagrama de energia com a banda de condução (C) e a banda de valência (V), a lacuna 2Δ e o potencial U0 entre -R e R; direita: curvas de níveis de energia E/Δ em função do raio R.] Figura 3. À esquerda: diagrama de energia de um ponto quântico em grafeno de camada única. À direita: níveis de estados ligados em função do raio do ponto. Disco de grafeno em grafeno de camada única O grafeno de camada única atrai atenção porque seus portadores de carga são partículas relativísticas sem massa (56). Os efeitos relativísticos resultam de uma estrutura de bandas única, sem lacuna, que leva a estados quânticos descritos pela equação de Dirac-Weyl de duas componentes. Isso permite explorar a física relativística em um sistema de estado sólido e tem muitas aplicações potenciais, que vão da eletrônica de alta frequência (57) à computação quântica (58). Pontos de grafeno podem ser formados por potenciais externos ou por nanocristais, mas este trabalho se ocupa apenas de potenciais externos. A física dos nanocristais foi discutida recentemente (59) (60) e é diferente da situação tratada aqui. Os estados quânticos em potenciais externos são quase ligados: têm uma cauda oscilatória de baixa amplitude e são semelhantes às ressonâncias de espalhamento estudadas na física de graduação. Um campo magnético perpendicular reforça a localização desses estados (61) e estados realmente ligados podem ocorrer em pontos de grafeno definidos por um campo espacialmente não uniforme (62). Assim, um potencial vetor magnético tem um efeito localizador que tende a cancelar o efeito deslocalizador de um potencial escalar. [Figura 4: (a) gráfico em escala de cores da transcondutância dI/dVg1 (nS) em função de Vg1 e Vg2 (mV), com Vsd = 50 µV e rótulos (n, m), (n+1, m) etc. nas regiões de carga; (b) corrente I (pA) em função de Vg1 e Vg2 (mV), com Vsd = 800 µV.] Figura 4. (a) Gráfico em escala de cores da transcondutância. (b) Um dos vértices da estrutura em favo de mel com Vsd = 800 µV: diagramas de estabilidade de carga de pontos quânticos acoplados em série. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 16

Nota editorial: Figura 3 combina o perfil de energia e os níveis ligados em função do raio do ponto; a figura 4 mostra mapas de cores de transcondutância e estabilidade de carga de pontos acoplados. Os colchetes descrevem os gráficos.

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UNCLASSIFIED/ /FOR. 8FFI@IAL l::181: 8HL'I E C 11 IUo2Ll u <l-........, V I I II I 10 11 loll - R 0 R r Figure 3. Left; Energy diagram for quantum dot in single-layer graphene. Right; Bound state levels as function of dot radius . Graphene Disc in Single-Layer Graphene Single layer graphene is attracting attention because its charge carriers are massless, relativistic particles (56). The relativistic effects result from a unique, zero-gap band structure that leads to quantum states described by the two-component Dirac-Weyl equation. This allows relativistic physics to be explored in a solid state system and has many potential applications ranging from high frequency electronics (57) to quantum computing (58). Graphene dots can be formed from external potentials or nanocrystals but this work is only concerned with external potentials. The physics of nanocrystals has been discussed recently (59) (60) and is different from the situation treated here. The quantum states, in external potentials are quasi-bound: they have a low amplitude oscillatory tail and are similar to the scattering resonances stud ied in undergraduate physics. A perpendicular magnetic field enhances the localization of these states (61) and true bound states can occur in graphene dots defined by a spatially non-un iform field (62). So a magnetic vector potential has a localizing effect that tends to cancel the delocalizing effect of a scalar potential. (a) 800 5' E - -::.";l, 550 500 450 400 dl/dVg1(nS) /[pA](b) 0 0 , ◄ 0.8 1900 1880 >E - 1860 >~ 1&40 1820 300 400 500 600 1380 1400 1420 1440 1460 1480 V91 [mV] V91 [mV] Figure 4. (a) Color scale plot of the transconductance. (b) One of the vertices of the honeycomb structure at Vsd = 800 1,1V: Charge stability diagrams for series-coupled quantum dots. UNCLASSIFIED/ /POft. orr1e1s11t l::181: 8,.LY 16

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TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Disco de grafeno em grafeno bicamada O grafeno bicamada é o análogo de duas camadas do grafeno de camada única. As duas subredes são acopladas pelo chamado empilhamento de Bernal. Uma tensão V entre as duas camadas quebra a simetria de inversão (como o termo de massa Δ na camada única) e abre uma lacuna proporcional à tensão. Além disso, a combinação de uma porta superior e uma porta traseira permite ajustar a lacuna e o potencial médio U(r) de forma independente. Uma questão central, do ponto de vista da eletrônica computacional, é estudar quantitativamente o estado condensado. Em modelos de dispositivos baseados em materiais, tem-se um hamiltoniano subjacente, como um hamiltoniano ab initio.ᵐ Em princípio, o condensado excitônico emerge das partículas em interação descritas pelo hamiltoniano. Mostra-se que ocorrem tanto estados realmente ligados quanto estados quase ligados, dependendo da forma dos potenciais. Além disso, há uma terceira possibilidade, a mais interessante, em que o caráter dos estados depende dos parâmetros dos potenciais e pode ser controlado à vontade. Ocorre então uma transição de confinamento para desconfinamento, na qual o caráter dos estados muda de oscilatório para exponencial, como no paradoxo de Klein para partículas com massa. Isso fornece um meio de sondar experimentalmente o paradoxo de Klein em um sistema de estado sólido, e estudos numéricos dos estados quânticos em um modelo realista de ponto mostram que isso é viável. Além disso, o mesmo efeito poderia ser usado para fabricar um ponto de grafeno que tenha estados realmente ligados. Isso exige apenas um campo magnético uniforme e uma porta que pode ser feita litograficamente, uma geometria muito mais fácil de fabricar do que a da geometria de campo magnético não uniforme. A natureza relativística da transmissão, exatamente 100%, que não depende de E nem de V0, é consequência da massa nula. Se as partículas tivessem massa m0, a relação energia-momento seria (E - V)² - p²c² = m0²c⁴ e as amplitudes das componentes da função de onda nas equações de movimento dependeriam de k ou k' e de m0. Então, a amplitude do lado direito nas equações seria diferente da do lado esquerdo, de modo que uma onda refletida teria de ser introduzida para satisfazer a condição de contorno em x = 0 e o coeficiente de transmissão não seria 100%. [Figura 5: corte esquemático de um ponto quântico em grafeno bicamada, com porta superior, camada de grafeno bicamada, dióxido de silício e porta traseira.] Figura 5. Ponto quântico em grafeno bicamada. ᵐ Um hamiltoniano ab initio é aquele derivado de primeiros princípios. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 17

Nota editorial: Figura 5 é um corte esquemático de ponto quântico em grafeno bicamada; o texto discute o ajuste da lacuna de energia e o tunelamento de Klein. Os colchetes descrevem a figura.

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UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFI@IAI: l48E OHi:¥ Graphene Disc in Bilayer Graphene Bilayer graphene is the two-layer analog of the single layer. The two sublattices are coupled by the so-called Bernal stacking. A voltage V between the two layers breaks inversion symmetry (like the mass term ti in the single layer) and opens a gap proportional to the voltage. In addition, the combination of a top gate and a back gate allows tuning the gap and the average potential U(r) independently. A central issue, from a computational electronics perspective, is to quantitatively study the condensed state. In materials-based device models, one has an underlying Hamiltonian, such as an ab initio Hamilton ian .m In principle, the excitonic condensate emerges from the interacting particles described by the Hamiltonian. It is shown that both true bound states and quasi-bound states occur, depending on the form of the potentials. In addition, there is a third and most interesting possibility where the character of the states depends on the parameters of the potentials and can be controlled at will. A confinement-de-confinement transition then occurs in which the character of the states changes from oscillatory to exponential as in the Klein paradox for particles with mass. This gives a way of probing the Klein paradox experimentally in a solid state system and numerical studies of the quantum states in a realistic dot model show it is feasible. Further, the same effect could be used to fabricate a graphene dot which has true bound states. This only requires a uniform magnetic field and a gate which can be made lithographically, a geometry that is much easier to fabr icate than the non-uniform magnetic field geometry. The relativ istic nature of the transmission, exactly 100%, does not depend on E and Vo is a consequence of the zero mass. If the particles had mass mo, the energy-momentum relation would be (E - V)2 - p2c2 = mo2c4 and the amplitudes of the wave function components in equat ions of mot ion would depend on k or k' and mo. Then the right side amplitude in equations would be different from the left side amplitude, so a reflected wave would have to be introduced to satisfy the boundary condit ion at x = 0 and the transmission coefficient would not be 100%. bilayer aph · ne op gat f + + + + + + + + Figure 5. Quantum dot in bilayer graphene . m Ab initi o Hamiltonian is one derived from first principles. UNCLASSIFIED/ ;'FOR. 8FFl@IAL U9I!! eHt I 17

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL [Figura 6: dispositivo de tunelamento em duas folhas de grafeno, com portas superior e inferior.] Figura 6. Estrutura de um dispositivo de tunelamento em grafeno bicamada. Duas folhas de grafeno são separadas por uma camada isolante de um nanômetro de espessura. Manipulação de qubits de spin em pontos quânticos de grafeno em comparação com GaAs Para a computação quântica universal, são necessárias manipulações de um qubit e de dois qubits. As rotações de um qubit em qubits de spin são feitas naturalmente por ressonância de spin eletrônico (ESR) (63) e por ressonância de spin induzida por dipolo elétrico (EDSR) (64). A frequência de Rabi f_Rabi com que o qubit gira, por exemplo no experimento de ESR (65), é proporcional ao fator g do spin do elétron: f_Rabi = gμ_B B_ac/2h, em que μ_B é o magnéton de Bohr e B_ac o campo magnético oscilante externo usado para girar o spin. Notavelmente, o fator g do spin do elétron difere conforme o material. Em pontos quânticos de GaAs, foi medido |g| < 0,43 (66), enquanto em pontos quânticos de grafeno foi determinado como próximo de |g| = 2. (67) Assim, é possível girar o spin do elétron em pontos quânticos de grafeno por ESR cerca de cinco vezes mais rápido do que em pontos quânticos de GaAs, usando a mesma intensidade do campo magnético oscilante externo. Esse é um ganho importante, porque todas as manipulações de qubits precisam ser feitas rapidamente para evitar a decoerência e implementar a computação quântica tolerante a falhas (68). Outra vantagem importante dos qubits de spin de grafeno está relacionada à pequena lacuna de banda em nanofitas de grafeno. (Para uma largura de fita de cerca de 30 nm, estima-se que a lacuna de banda seja da ordem de 60 meV.) Esse fato dá flexibilidade adicional às operações de dois qubits. As operações de dois qubits costumam ser feitas pela interação de troca de Heisenberg (69). O elemento de matriz de tunelamento pode, porém, ser facilmente ajustado aumentando ou diminuindo a sobreposição das funções de onda dos elétrons nos dois pontos quânticos. No grafeno ou em qualquer semicondutor de pequena lacuna de banda, essa manipulação pode ser feita de duas maneiras distintas: por tunelamento via estados da banda de condução (isto é, tunelamento normal) ou por tunelamento via estados da banda de valência (isto é, tunelamento de Klein). Isso foi previsto para nanofitas de grafeno e realizado experimentalmente em pontos quânticos de nanotubos de carbono em (70)(71). A consequência física mais importante dessa flexibilidade adicional é o aparecimento de um novo tipo de acoplamento de longa distância entre qubits de spin de grafeno, como ilustrado na Figura 8. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 18

Nota editorial: Figura 6 mostra a estrutura de um dispositivo de tunelamento em duas folhas de grafeno; o texto compara o controle de spin em grafeno e em GaAs. A fórmula da frequência de Rabi é reproduzida como no original.

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UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY Figure 6. Bilayer graphene tunneling device structure. Two sheets of graphene are separated by a one-nanometer thick insulating of graphene. Manipulation of Spin Qubits in Graphene Quantum Dots Relative to GaAs For universal quantum computing, single-qubit and two-qubit manipulations are necessary. Single-qubit rotations of spin qubits are naturally done by electron spin resonance (ESR) (63) and by electric- dipole- induced spin resonance (EDSR) (64). The Rabi frequency faabl at which the qubit rotates, for instance, in the ESR experiment (65) is proportional to the electron spin g-factor, faabi = gµsBac/2h where µs is the Bohr magneton and Bae the external oscillating magnetic field used to rotate the spin. Notably, the electron spin g-factor differs for different materials . In GaAs quantum dots, it has been measured to be lg I < 0.43 (66) whereas, in graphene quantum dots, it has been determined to be close to lg I = 2. (67) Thus, it is possible to rotate the electron spin in graphene quantum dots using ESR about five times faster than in GaAs quantum dots using the same field strength of the external oscillating magnetic field. This is an important gain because all qubit manipulations need to be done fast to avoid decoherence and implement fault-tolerant quantum computing (68). Another important advantage of graphene spin qubits is related to the small band gap in graphene nanor ibbons . (For a ribbon width of about 30nm, the band gap can be estimated to be of the order of 60 meV.) This fact yields additional flexibility for two-qubit operations. Two-qubit operations are usually done via the Heisenberg exchange interaction (69). The tunneling matrix element can, however, be easily tuned by increasing or decreasing the overlap of the wave functions of the electrons in the two quantum dots. In graphene or any small band gap semiconductor, this manipulation can be done in two distinct ways: either through tunneling via conduction band states (i.e., normal tunneling) or through tu nneling via valence band states (i.e., Klein tunne ling) . This has been predicted for graphene nanoribbons and experimentally realized in carbon nanotube quantum dots in (70)(71). The most important physical consequence of this additional flexibility is the appearance of a new type of long-d istance coupling between graphene spin qubits as illustrated in Figure 8. UNCLASSIFIED/ ,'FOA OFFI&il.t.L W&li 8,.LY 18

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Computação Quântica e Uso de Moléculas Orgânicas em Tecnologia de Automação O Documento de Referência de Inteligência de Defesa fornece informação de referência não substantiva, porém autorizada, relacionada a temas ou metodologias de inteligência. Preparado por: Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) Escritório de Alerta de Defesa Diretoria de Análise Agência de Inteligência de Defesa Autor: AAP Person 73 AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: Não é autorizada a disseminação adicional das fotografias desta publicação. Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2010 no âmbito do Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a AAP Person 1, Gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: JUIAF - DI/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 1

Nota editorial: Folha de rosto: órgão preparador (Divisão de Alerta Tecnológico, Escritório de Alerta de Defesa, DIA), natureza do documento e aviso de direitos autorais.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL USE ONLY Quantum Computing and Utilizing Organic Molecules in Automation Technology The Defense Intelligence Reference Document provides non-substantive but authori tative reference information related to intelliqence topics or methodoloqies . Prepared by: Technology Warning Division (DW0-4 ) Defense Warning Office Directorate for Analysis Defense Intelligence Agency Author: AAP Person 73 COPYRIGHT WARNING : Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized. This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2010 under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace Weapon System Applications \AAWSA) Program. Comments or questions pertaining to this document should be addressed to AAP Person 1 lAAWSA Program Manager, Defense Intelligence Agency, ATTN: JUIAF - DI/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. UNCLASSIFIED/ /FOR AlililGII.L W&lii &PtLY 1

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TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Por meio do tunelamento de Klein, dois qubits distantes podem ser fortemente acoplados sem tocar os estados de qubits intermediários que possam estar situados entre os dois. Assim, uma fita de grafeno que hospede muitos qubits de spin em linha pode ser vista como um piano de qubits, em que quaisquer dois deles podem ser emaranhados deixando inalterados os estados dos demais; ver Figura 7. Curiosamente, essa característica, isto é, a disponibilidade de interações não locais, é importante para a correção quântica de erros, pois eleva o limiar para a computação quântica tolerante a falhas (72). [Figura 7: fita de grafeno com pontos quânticos em barras vermelhas e barreiras em barras azuis; figura 8: três pontos acoplados, com seus níveis de energia.] Figura 7. Piano de qubits. Ilustração de muitos qubits de spin em linha, hospedados em uma nanofita de grafeno. Os pontos quânticos são as barras vermelhas e as regiões de barreira são as barras azuis. Diferentes qubits de spin que estão fortemente acoplados entre si por tunelamento de Klein são marcados com a mesma cor. Figura 8. Acoplamento a longa distância de três qubits de grafeno. Relaxação e desfasamento de spin em pontos quânticos de grafeno Por que podemos esperar qubits de spin estáveis em pontos quânticos de grafeno? Há esperança de que a relaxação e o desfasamento de spin sejam muito fracos no grafeno pelas seguintes razões: (i) O carbono NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 19

Nota editorial: Figura 7 mostra o piano de qubits em uma nanofita e a figura 8 esquematiza o acoplamento a distância entre três pontos; o texto inicia a discussão sobre a estabilidade dos spins no grafeno.

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UNCLASSIFIED/ /FOA QFFIEJIAL YSI!!! 9Ht'I" By means of Klein tunneling, two distant qubits can be strongly coupled without touching the states of intermediate qubits that might be located between the two. Thus, a ribbon of graphene hosting many spin qubits in a line can be viewed as a qubit piano where any two of them can be entangled with leaving the states of the others unchanged; see Figure 7. Interestingly, this feature, i.e., the availability of non-local interactions, is important for quantum error correction since it raises the threshold for fault-tolerant quantum comput ing (72). Figure 7. Qubit piano . Illustration of many spin qubits in a line hosted within a graphene nanoribbon. Quantum dots are red bars and barrier regions are blue bars. Different spin qubits that are strongly coupled to each other via Klein tunneling are marked with the same color. Figure 8. Long distance coupling of three graphene qubits. Spin Relaxation and De-phasing in Graphene Quantum Dots Why can we expect stable spin qubits in graphene quantum dots? There is hope that spin relaxation and dephasing will be very weak in graphene for the following reasons: (i) Carbon UNCLASSIFIED//EAR OFFICIO I. flii 0Plk¥ 19

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TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL é um elemento leve, com número atômico 6. Portanto, sua interação spin-órbita atômica é fraca em comparação com elementos mais pesados. No entanto, tal afirmação deve ser tomada com cuidado, porque, no estado sólido, o acoplamento spin-órbita é muitas vezes dominado pela assimetria de inversão de volume ou de estrutura. Por isso, estruturas cristalinas de elementos leves podem (em certas circunstâncias) exibir acoplamento spin-órbita bastante forte. Exemplos principais são os nanotubos de carbono, nos quais a teoria previu um acoplamento spin-órbita substancial (algumas centenas de µeV) devido à curvatura do tubo (73) (74)(75), o que foi bem confirmado em experimentos recentes de transporte em pontos quânticos de nanotubos de carbono (76). Como a superfície do grafeno é menos curva do que a dos nanotubos de carbono, o acoplamento spin-órbita no grafeno, devido às ondulações, ainda deve ser bastante fraco (cerca de dez vezes menor do que o acoplamento spin-órbita devido à curvatura em nanotubos de carbono (77)). (ii) O carbono tem dois isótopos estáveis: ¹²C e ¹³C. A abundância natural é de 99% de ¹²C e 1% de ¹³C. Como o ¹²C tem spin nuclear 0 e o ¹³C tem spin nuclear 1/2, o spin eletrônico do qubit só pode interagir com 1% dos núcleos por interação hiperfina. Essa proporção pode ser reduzida ainda mais, porque é possível fabricar artificialmente grafeno enriquecido em ¹²C. Relaxação de spin devida à interação spin-órbita O acoplamento spin-órbita surge da estrutura de bandas e é reforçado pelas ondulações da folha de grafeno. O movimento orbital é influenciado por centros de espalhamento e por campos de calibre induzidos pelas ondulações. Discutem-se a relaxação de spin pelos mecanismos de Elliot-Yafet e de Dyakonov-Perel e os campos de calibre em combinação com o acoplamento spin-órbita. No grafeno intrínseco, o mecanismo de Dyakonov-Perel e a inversão de spin por campos de calibre dominam, e o tempo de relaxação por inversão de spin é inversamente proporcional ao tempo de espalhamento elástico. A anisotropia da relaxação de spin depende de uma competição intrincada entre esses mecanismos. Como Pauli observou, quando um elétron está em um estado quântico, ele pode estar simultaneamente em parte no estado de spin para cima e em parte no de spin para baixo. Durante esse fenômeno, conhecido como "estados de superposição", um elétron pode existir em um ciclo de spin livre, oscilando entre os estados para cima e para baixo. Um qubit baseado no spin de um elétron poderia ter um potencial quase ilimitado, porque não está estritamente ligado nem desligado. Recentemente, pesquisadores da Universidade de Princeton descobriram como manipular um único elétron sem perturbar nenhum elétron vizinho (78). Usando uma técnica de interferômetro, em que um ou dois elétrons são aprisionados em minúsculos currais criados pela aplicação de tensão a eletrodos diminutos, formaram-se "qubits de spin". Esse esforço é pioneiro porque pesquisas anteriores utilizavam técnicas em que os elétrons eram expostos a radiação de micro-ondas. O método anterior era ineficaz para manipular qubits de spin individuais, porque a micro-onda era incapaz de isolar um único elétron. Enquanto os mecanismos comumente usados de rotação de um único spin dependem de campos magnéticos de frequência de gigahertz, as rotações coerentes entre S e T+ demonstradas aqui ocorrem em uma escala de tempo de nanossegundos, definida pela energia de Zeeman, e são acionadas unicamente por pulsos de tensão de porta locais. Como resultado, será viável escalar esse método de controle quântico para um grande número de qubits de spin operando em estreita proximidade. Além disso, é possível que o mecanismo de inversão de spin empregado aqui, que depende do acoplamento ao banho de spins nucleares, possa ser aproveitado, sob as condições apropriadas, para criar uma memória de spin nuclear (79). NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 20

Nota editorial: Discute mecanismos de relaxação e desfasamento de spin no grafeno e cita um experimento de Princeton com pulsos de tensão locais e rotações coerentes de spin em escala de nanossegundos.

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UNCLASSIFIED/ /FOR: OPPIClltt U.!I! Oflt I is a light element with atomic number 6. Hence, its atomic spin-orbit interaction is weak as compared to heavier elements. However, such a statement should be taken with care because, in the solid state, spin-orbit coupling is oftentimes dominated by bulk inversion or structure inversion asymmetry. Therefore, crystal structures of light elements can (under certain circumstances) exhibit rather strong spin-orbit coupling. Prime examples are carbon nanotubes where theory predicted a substantial spin-orbit coupling (a few hundred µeV) due to the curvature of the tube (73) (74 )(75) which has been nicely confirmed in recent transport experiments on carbon nanotube quantum dots (76). Since the surface of graphene is less curved than that of carbon nanotubes, the spin-orbit coupling in graphene - due to ripples - should still be rather weak (roughly ten times less than the spin-orbit coupling due to curvature in carbon nanotubes (77)). (ii) Carbon has two stable isotopes: 12C and 13C. The natural abundance is 99% 12C and 1 % 13C. Since 12C has nuclear-spin O and 13C has nuclear-spin 1/2, the electron spin of the qubit can only interact with 1 % of the nuclei via hyperfine interaction. This ratio can even be further decreased because it is possible to artificially make 12C-enriched graphene. Spin Relaxation Due to Spin-orbit Interaction The spin-orbit coupling arises from the band structure and is enhanced by ripples in the graphene sheet. The orbital motion is influenced by scattering centers and ripple-induced gauge fields. Spin relaxation due to Elliot-Yafet and Dyakonov-Perel mechanisms and gauge fields in combination with spin-orbit coupling are discussed. In intrinsic graphene, the Dyakonov-Perel mechanism and spin flip due to gauge fields dominate and the spin-fl ip relaxation time is inversely proportional to the elastic scattering time. The spin-relaxation anisotropy depends on an intricate competition between these mechanisms. As Pauli noted, when an electron is in a quantum state it can simultaneously be partially in the spin up state and partially in the spin down state. During this phenomenon known as "superposition states" an electron can exist in a free spin cycle oscillating between the up and down states. A qubit based on the spin of an electron could have nearly limitless potential because it is neither strictly on or off. Recently, researchers at Princeton University discovered how to manipulate a single electron without disrupting any surrounding electrons (78) . By utilizing an interferometer technique where one or two electrons are trapped in microscopic corrals that are created by applying voltage to miniscule electrodes, "spin qubits" were formed. This effort is ground-breaking in that previous research utilized techniques where the electrons were exposed to microwave radiation. The previous method was ineffective to manipulate individual spin qubits because the microwave was incapable of isolating to only a single electron. Whereas commonly used single-spin rotation mechanisms rely on gigahertz frequency magnetic fields, the coherent rotations between S and T+ demonstrated here occur on a nanosecond time scale set by the Zeeman energy and are solely driven with local gate-voltage pulses. As a result, it will be feasible to scale this quantum control method to a large number of spin qubits operating in close proximity. In addition, it is possible that the spin-flip mechanism employed here, which relies on coupling to the nuclear-spin bath, could be harnessed under the appropriate conditions to create a nuclear-spin memory (79). UNCLASSIFIED/ /fdk OFFICIAL U.!I! OHL¥ 20

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Pesquisas com pontos quânticos de grafeno O grafeno é um candidato ideal para qubits de spin, devido ao seu baixo acoplamento spin-órbita intrínseco e à escassez de spins nucleares. Discutimos estados ligados em pontos quânticos de grafeno ajustáveis por porta, realizados tanto em nanofitas de grafeno quanto em grafeno de camada única e bicamada com lacuna. Em contraste com os pontos quânticos realizados em flocos de grafeno com bordas, os pontos quânticos ajustáveis por porta são definidos eletrostaticamente, e não pela borda física de uma amostra de grafeno. Isso permite quebrar de forma controlada a degenerescência de vales, pré-requisito para a computação quântica baseada em spin, por exemplo com o uso de um campo magnético. Discutimos também a manipulação quântica de qubits de spin em tais pontos, bem como estudos teóricos recentes sobre as consequências da interação spin-órbita e da interação hiperfina com os núcleos para a relaxação e a decoerência de spin. Os esforços teóricos e experimentais concentraram-se em pontos quânticos de grafeno de camada única. A próxima grande área provavelmente será o grafeno bicamada. O grafeno bicamada é potencialmente superior ao de camada única pela criação de uma lacuna de banda ajustável por campos elétricos, o que permite um controle totalmente elétrico dos pontos quânticos de grafeno. Essas novas capacidades podem ser uma bênção para o processamento spintrônico de informação quântica. As portas de um qubit, baseadas em ressonância de spin eletrônico de um único spin, alcançaram avanços significativos. Demonstrou-se uma operação rápida de dois qubits (cerca de 200 ps), mas operações de um qubit em escala de tempo semelhante continuam sendo um desafio. Uma nova configuração proposta de codificação do qubit em dois spins, em que um estado singleto e um tripleto desempenham o papel de 0 e 1, mostra-se promissora. Com esse tipo de qubit, o interferômetro demonstrado pelos pesquisadores de Princeton poderia ser usado para portas de um qubit em escala de tempo de nanossegundos. Alternativamente, rotações rápidas de qubit em um qubit singleto-tripleto ligeiramente diferente podem ser obtidas alinhando spins nucleares para criar diferentes polarizações nucleares nos dois pontos. Portas rápidas de um qubit e de dois qubits disponíveis no mesmo sistema permitem uma correção quântica de erros eficiente e poderiam dar uma vantagem inicial importante na batalha contra a decoerência. No entanto, ainda não foram demonstradas portas de dois qubits para esse tipo de qubit, que envolveriam quatro spins. Utilizar o grafeno como base estrutural da computação quântica, associado a outros materiais à base de carbono, como motivos de DNA autoagregáveis, pode levar ao desenvolvimento revolucionário da computação quântica. RESUMO DE TECNOLOGIAS INORGÂNICAS ADICIONAIS O avanço dos esquemas de computação quântica tem sido objeto de investimento e desenvolvimento significativos nas últimas duas décadas. Recentemente, Ladd revisou as tecnologias inorgânicas. (5) Ladd propõe que as armadilhas de íons são a tecnologia mais provável, com base em seu longo T2, mas conclui que uma comparação entre as tecnologias é incompleta sem mais desenvolvimento em todas as frentes. O presente tratado concentra-se na tecnologia orgânica, mas resume aqui, por completude, o trabalho de Ladd e de outros. Tecnologias fotônicas Usar o estado de polarização de um fóton é uma abordagem atraente para armazenar, comunicar e manipular qubits. Os fótons não exigem vácuo nem temperatura muito baixa para um isolamento razoavelmente bom contra interações termodinâmicas. Exigem meios especiais, não lineares, para uma manipulação robusta e previsível de forma confiável. Um grande avanço em 2001, conhecido como esquema KLM, mostrou que a computação quântica escalável era possível usando óptica linear e detectores e fontes de fóton único. (80) O principal obstáculo, segundo Ladd, é a perda de fótons NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 21

Nota editorial: Resume as vantagens potenciais do grafeno bicamada para qubits, ressalvando que portas de dois qubits para a codificação discutida ainda não foram demonstradas, e abre a comparação com outras tecnologias quânticas inorgânicas.

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UNCLASSIFIED/ /FOR: 8Pfl@IAL YSli &Pn,¥ Research with Graphene Quantum Dots Graphene is an ideal candidate for spin qubits due to its low intrinsic spin-orbit coupling and the sparse amount of nuclear spins. We discussed bound states in gate-tunable graphene quantum dots realized in both graphene nanoribbons and gapped single -layer and bilayer graphene. In contrast to quantum dots realized in edged graphene flakes, gate-tunable quantum dots are defined electrostatically rather than by the physical edge of a graphene sample . This allows one to controllably break the valley degeneracy, a prerequisite for spin­ based quantum computing, e.g., by using a magnetic field. We have also discussed quantum manipulation of spin qubits in such dots, as well as recent theoretical studies on the consequences of spin-orbit interaction and hyperfine interaction with nuclei for spin­ relaxation and spin-decoherence . Both theoret ical and exper imental efforts have focused on single-layer graphene quantum dots. The next major area is likely to be bilayer graphene. Bilayer graphene is potentially superior to single-layer graphene due to the creation of a tunable bandgap by electric fields which allows for an all electrical control of graphene quantum dots . These new capabilities may be a boon for spintron ic quantum information processing. Single-qubit gates, based on single-spin electron spin resonance, have achieved significant breakthroughs. Fast ( ~200 ps) two-qubit operation has been demonstrated, but single-qubit operations on a similar time scale still remain a challenge. A proposed new configuration of two-spin encoding of the qubit, where a sing le and a triplet state play the role of the 0 and 1, shows promise. With this type of qubit, the interferometer, demonstrated by the Princeton researchers, could be used for single-qubit gates on a nanosecond time scale. Alternat ively, fast qubit rotations in a slightly different singlet-triplet qubit can be obta ined by align ing nuclear spins to create different nuclear polarizations in the two dots. Fast single -qubit and two-qubit gates available in the same system allow for efficient quant um error correction and could provide an important head start in the battle against decoherence. However, no two­ qubit gates for this type of qubit, which would involve four spins, have yet been demonstrated. Utilizing graphene as a structural basis for quantum computing, coupled with other carbon based materials such as self-assembling DNA, motifs, may lead the revolut ionary development in quantum computing. SUMMARY OF ADDITIONAL INORGANIC TECHNOLOGIES The advancement of quantum computing schemes is the subject of significant investment and development over the past two decades. Recently, Ladd reviewed inorganic techno logies. (5) Ladd proposes that ion traps are the most probable technology based on their long T2, but then concludes that a comparison between the technologies is incomplete without further development on all fron ts. The current treatise concentrates on organic technology but summar izes here the work of Ladd and others for completeness. Photon Technologies Using the polarization state of a photon is an appealing approach to store, communicate, and manipulate qubits. Photons do not require a vacuum or very low tempe rature for fairly good isolation from thermodynamic interactions. They do require special, non-linear media for robust, reliably predictable manipu lation. A major advance in 2001, known as the KLM scheme, showed that a scalable quantum comput ing was possible using linear optics and single-photon detectors and sources. (80) The major hurd le, according to Ladd, is photon UNCLASSIFIED/ /EAR OEEICIOI IPiii QNLlf 21

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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL em guias de onda, equivalente ao tempo de decoerência em outros hardwares quânticos.ⁿ O tamanho das portas quânticas é atualmente da ordem de cm; esse obstáculo diminui à medida que o tamanho das portas diminui. Conclui-se, por fim, que os fótons provavelmente serão usados em uma tecnologia híbrida, com outro elemento quântico servindo de base para portas e outras interações. Esse esquema é conhecido como computação quântica distribuída, em que os elementos podem estar separados por distância significativa. Essa distância é grande em comparação com o tamanho da porta ou da matriz de portas, ou realmente grande (km) em uma rede de comunicações. As tecnologias fotônicas são uma área de desenvolvimento muito ativa: o número bruto de publicações encontradas para "photon computers" ou "photon computing" mostra mais entradas em 2009 do que em 2008 e 2007 somados.º Além disso, muitos dispositivos operam à temperatura ambiente ou perto dela e a maioria não exige sistemas criogênicos caros (temperatura abaixo do ponto de ebulição do hélio), o que os torna baratos de pesquisar em comparação com outras tecnologias. Essas medidas objetivas tornam mais prováveis os avanços e, em 10 anos, a computação totalmente óptica deverá estar abordando problemas que não podem ser resolvidos por sistemas clássicos. Em 40 anos, a engenharia de fabricação reduzirá o custo desses dispositivos e eles serão uma opção para muitas tarefas de computação no ambiente espacial. Tecnologias de armadilhas de íons e de átomos Íons atômicos individuais podem ser aprisionados no espaço livre por eletrodos em nanoescala, enquanto átomos podem ser aprisionados em uma rede óptica criada por lasers. Nos sistemas de íons, a manipulação das tensões dos eletrodos move os íons pela rede e os faz interagir entre si. Nos sistemas atômicos, a modulação da rede óptica e/ou a interferência óptica externa são usadas para manipular os átomos. Ladd conclui que a escala é o principal obstáculo nas tecnologias baseadas em armadilhas. Mais detalhes sobre esses obstáculos nas tecnologias de armadilhas são revelados em uma revisão (bem mais longa) feita um ano antes por Haffner. (81) Mostra-se que as operações de porta baseadas em armadilhas de íons têm fidelidade arbitrariamente alta, ou mais alta do que a exigida para a computação tolerante a falhas. O atual gargalo da tecnologia de armadilhas em relação aos sistemas clássicos é a frequência de aprisionamento de algumas centenas de microssegundos, embora sejam possíveis operações massivamente paralelas. Haffner conclui que não há barreiras fundamentais à ampliação da computação baseada em armadilhas, mas a tecnologia é desafiadora e progredirá por evolução, e não por revolução. Isso é animador, dado que há 40 anos transistores de 20 nm pareciam desafiadores, mas sem barreiras operacionais fundamentais. Tecnologias de ressonância magnética nuclear (RMN) O armazenamento e a manipulação por RMN foram demonstrados em meio líquido com até uma dúzia de qubits. Preferem-se os líquidos por causa de seu T2 mais longo. No entanto, o movimento térmico no estado líquido tornou a escalabilidade um problema. Passar para a RMN de estado sólido para resolver as questões termodinâmicas diminui drasticamente o T2. Ladd conclui que as tecnologias de RMN são um bom campo de testes para o desenvolvimento de algoritmos tolerantes a falhas, mas de pouco uso prático para a computação quântica. Tecnologias supercondutoras A supercondutividade é o fluxo de eletricidade sem perdas resistivas. Como o laser, esse fenômeno macroscópico tem origens da mecânica quântica. Quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica, ⁿ Um guia de onda é o "fio" equivalente que isola a transmissão de fótons entre dispositivos de interação e de armazenamento. º Base de dados Web of Science, consultada em 30 de junho de 2010. 22 NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL

Nota editorial: Compara tecnologias fotônicas, de armadilhas de íons e de átomos e de RMN, destacando perdas, escalabilidade e fidelidade. As previsões para 10 e 40 anos são avaliações do autor baseadas na atividade de pesquisa.

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFIEIAk W&lii 0NLY loss within waveguides, and is equivalent to decoherence time in other quantum hardware. n The size of quantum gates is currently on the order of cm; this hurdle becomes less as gate size decreases. It is finally concluded that photons will likely be used in a hybrid technology with another quantum element serving as the basis for gates and other interact ions. This scheme is known as distributed quantum computing, where elements can be separated by significant distance. This distance is either large by comparison with gate or gate array size, or actually large (km) in a communications network. Photonic technologies are a very active development area: the raw number of publications found for "photon computers" or "photon comput ing" shows more entries for 2009 than for 2008 and 2007 combined.° Furthermore, many devices operate at or near room temperature and most do not require expensive cryogenic systems (temperature below He boiling point), making them inexpensive to research versus other technologies. These objective measures make breakthroughs more likely, and in 10 years all-optical computing should be addressing problems that cannot be accomplished via classical systems. In 40 years, manufacturing engineering will decrease the cost of these devices and they will be an option for many computing tasks in the space environment. Ion and Atomic Trap Technologies Individual atomic ions can be trapped in free space by nanoscale electrodes, while atoms can be trapped in an optical lattice created by lasers. In the ion systems, manipulation of electrode voltages move ions around the lattice and interact them with each other. In atomic systems, modulation of the optical lattice and/or external optical interference is used to manipulate the atoms. Ladd concludes that scaling is the primary hurdle in trap-based technologies. More detail of such hurdles in trap technologies is revealed in a year earlier (much longer) review by Haffner. (81) Ion-trap-based gate operations are shown to have arbitrar ily high fidelity, or higher fidelity than required for fault-tolerant computation. The current bottleneck in trap technology versus classical systems is the trapping frequency of a few hundred microseconds, even though massive parallel operations are possible. Haffner concludes that there are no fundamental barriers to scaling trap-based computing, but the technology is challeng ing and will progress as evolution rather than revolution. This is encouraging given that 40 years ago 20-nm transistors seemed challenging, but without fundamental operational barriers. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technologies NMR storage and manipulation has been shown in liquid media up to a dozen qubits. Liquids are preferred because of their longer T2. However, thermal motion in the liquid state made scalability an issue. Moving to solid state NMR to address thermodynamic issues dramat ically decreases T2. Ladd concludes that NMR technologies are a good testing ground for fault­ tolerant algorithm development, but of little practical use for quantum computing. Superconducting Technologies Superconductivity is the flow of electric ity without resistive losses. Similar to the laser, this macroscopic phenomenon has quantum mechanical origins. When cooled below a critical n A waveguide is the equivalent "wire" that isolates the transmission of photons between interaction and storage devices. 0 Web of Science database, Inquired 30 June 2010 . 22 UNCLASSIFIED//FOR OFFIClftt tJ.!I!!! 8HLY

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL alguns materiais, como o cobre, formam uma rede que permite que os elétrons se emparelhem e fluam como uma partícula bosônica carregada (2e). Os componentes dos circuitos supercondutores podem ser fabricados com a tecnologia atual; no entanto, os tempos de decoerência são limitados a no máximo vários microssegundos, devido ao grande tamanho (100 micrômetros) dos elementos do circuito e, portanto, ao grande número de portadores de carga em um dispositivo de qubit (cerca de 10¹⁰). Além disso, os projetos atuais de dispositivos de qubit só operam na escala de dezenas de mK. Elementos supercondutores, especificamente as junções de Josephson, podem ter um papel em projetos híbridos, como as armadilhas de íons distribuídas de Haffner (81), mas atualmente não são vistos como tecnologia autônoma para a computação quântica. PROJETOS DE COMPUTADORES MOLECULARES BASEADOS EM DNA Enquanto os circuitos tradicionais baseados em silício chegam ao seu limite atômico fundamental, os pesquisadores buscam meios alternativos de computação. A solução mais lógica para superar essa restrição nas arquiteturas de circuitos integrados de silício reside dentro de nossos próprios corpos: o ácido desoxirribonucleico (DNA). Os organismos vivos também realizam processos físicos complexos sob a direção de informação digital. As reações bioquímicas e, em última instância, o funcionamento de um organismo inteiro são regidos por instruções armazenadas em seu genoma, codificadas em sequências de ácidos nucleicos. Quando se comparam as máquinas biomoleculares dentro das células que processam DNA e RNA com a máquina de Turing, surgem semelhanças marcantes: ambos os sistemas processam informação armazenada em uma cadeia de símbolos tirados de um alfabeto fixo, e ambos operam movendo-se passo a passo ao longo dessas cadeias, modificando ou acrescentando símbolos de acordo com um conjunto dado de regras. [Figura 9: nanomáquina de DNA que alterna entre as formas "aberta" e "fechada" pela adição da fita de ajuste (set strand) e da fita de desfazimento (unset strand).] Figura 9. Uma nanomáquina de DNA acionada pela adição sequencial repetida de fitas de controle de DNA (82). Fundamentos do DNA Watson e Crick talvez nunca tenham percebido todo o potencial da estrutura de dupla hélice que identificaram há quase 60 anos, (83) pois pouco se sabia sobre essa molécula extraordinária que sustenta a vida. Bioquímicos do fim do século XIX haviam descoberto que esses ácidos nucleicos, polímeros de cadeia longa de nucleotídeos, eram feitos de açúcar, ácido fosfórico e NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 23

Nota editorial: Última tecnologia inorgânica (supercondutores) e abertura da seção sobre computadores de DNA; a figura 9 mostra o ciclo de uma nanomáquina de DNA acionada por fitas de controle. Os colchetes descrevem a figura.

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UNCLASSIFIED/ /EOA QFFl&Il.l l::181: 8HtY temperature, some materials such as copper form a lattice that allows electrons to pair and flow as a bosonic charged (2e) particle. The components of superconducting circuits can be fabricated with current technology; however, decoherence times are limited to several microseconds maximum due to the large size (100 micrometers) of the circuit elements and thus large number of charge carriers in a qubit device (~10 10 ). Additionally, the current qubit device designs only operate at the scale of l0's of mK. Superconducting elements, specifically Josephson junctions, may play a role in hybrid designs such as the distributed ion traps of Haffner (81), but are currently not seen as a stand-alone technology for quantum computation. DNA-BASED DESIGNS FOR MOLECULAR COMPUTERS While traditional silicon-based circuits reach their fundamental atomic limitation, researchers search for alternative mediums for computation. The most logical solution to overcome this restriction in silicon-based integrated circuit architectures resides within our own bodies, deoxyribonucleic acid (DNA). Living organisms also carry out complex physical processes under the direction of digital information. Biochemical reactions and ultimately an entire organism's operation are ruled by instruc tions stored in its genome, encoded in sequences of nucleic acids. When the workings of bimolecular machines inside cells that process DNA and RNA are compared to Turing's machine, striking similarities emerge: both systems process information stored in a string of symbols taken from a fixed alphabet, and both operate by moving step by step along those strings, modifying or adding symbols according to a given set of rules. Set strand 'Open' 'Closed' r Unset strand Figure 9. A DNA nanomachine driven by repeated sequential addition of DNA control strands (82). DNA Background Watson and Crick may have never realized the full potential of the double helical structure they identified nearly 60 years ago, (83) for little was known about this amazing molecule that harnesses life. Biochemists in the late nineteenth century had found that these nucleic acids, long-chain polymers of nucleotides, were made up of sugar, phosphoric acid, and UNCLASSIFIED/ /FQA QFFIEIAk Wlii QNk¥ 23

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL várias bases nitrogenadas que compõem o ácido desoxirribonucleico (DNA). No fim da década de 1940, a comunidade científica aceitava amplamente o DNA como portador da informação genética. Mas só em 1977 Fred Sanger desenvolveu o primeiro método de montagem de baixo para cima de DNA por terminação de cadeia com didesoxinucleotídeos. (84) Essa técnica inauguraria depois uma nova era de pesquisa de ácidos nucleicos e abriria as portas para a era moderna da biotecnologia. Com o advento da tecnologia da reação em cadeia da polimerase (PCR) (85), existe hoje um verdadeiro tesouro de capacidades para engenheiros genéticos e bioquímicos criarem fitas de DNA sob medida. Esse processo revolucionário criou um campo de trabalho multidisciplinar dentro da nanotecnologia, que se cruza na encruzilhada da ciência da computação, da bioquímica, da ciência dos materiais e da engenharia. Esta seção sobre nanossistemas e computação baseados em DNA apresentará várias aplicações de pesquisa e conceitos de ponta atualmente empregados para produzir dispositivos baseados em DNA. É crucial formar uma compreensão básica da estrutura e dos princípios químicos da molécula de DNA para compreender plenamente seu potencial como material de construção de nanossistemas baseados em DNA. Para o leitor leigo, construímos um esboço simplificado para ilustrar os princípios gerais da molécula de DNA que se mantêm verdadeiros em suas propriedades bioquímicas, aplicadas a montagens de nanoestruturas de baixo para cima. 1. O DNA consiste em dois longos polímeros feitos de unidades simples chamadas nucleotídeos, com espinhas dorsais feitas de açúcares e grupos fosfato unidos por ligações éster. Essas duas fitas correm em sentidos opostos uma à outra e são, portanto, antiparalelas. As fitas duplas de DNA formam uma estrutura de dupla hélice. 2. A informação no DNA é armazenada como um código feito de quatro bases químicas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). A ordem, ou sequência, dessas bases determina a informação disponível para construir e manter um organismo. Esses nucleotídeos se ligam por um processo de ligação química conhecido como pareamento de bases de Watson e Crick. A liga-se com T e G liga-se com C; uma dada sequência desses nucleotídeos sempre se ligará à sequência complementar.ᵖ 3. Em sua configuração de dupla hélice, o DNA é uma molécula relativamente rígida. Essa rigidez pode ser ainda reforçada reunindo várias hélices duplas em feixes para formar redes e peças (tiles) de DNA, de modo a constituir nanoarquiteturas sintetizadas (87)(88)(89). 4. Os princípios de pareamento de bases de Watson e Crick criaram afinidades de ligação previsíveis em aplicações de bancada. Esse conhecimento das propriedades físicas intra e intermoleculares da molécula de DNA permite programar as interações desejadas dentro das sequências para produzir uma sequência de DNA sob medida. 5. A facilidade de sequenciar DNA com base na técnica de Sanger, que hoje evoluiu para processos automatizados avançados, tornou prontamente disponíveis fitas de DNA projetadas. Comprimentos de fita sob medida, ou oligonucleotídeos (fitas tipicamente com 100 a 200 pares de bases), podem ser facilmente encomendados de vários serviços de sequenciamento ou produzidos no laboratório a custos relativamente baixos, com alto rendimento e qualidade. 6. Hoje os biotecnólogos podem empregar uma biblioteca de enzimas de restrição únicas que cortam a fita de DNA entre nucleotídeos específicos, deixando "pontas coesivas", ou saliências de fita simples ᵖ Às vezes erros de transcrição resultam em uma ligação incorreta, como A com G. Esses são polimorfismos de nucleotídeo único, ou SNPs (pronuncia-se "snips"). Os SNPs não são incomuns no genoma humano e têm implicações importantes em doenças; no presente tratado, porém, consideramos esses pareamentos "errados" como erros que precisam de correção. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 24

Nota editorial: Apresenta a estrutura do DNA e as ferramentas de engenharia (pareamento de bases, oligonucleotídeos, enzimas de restrição, sequenciamento automatizado). É exposição introdutória.

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UNCLASSIFIED/ /FAQ OFFI&ilAl YSIE 8HtY several nitrogen-containing bases consisting of deoxyribonucleic acid (DNA). By the late 1940s the scientific community widely accepted DNA as the carrier of genetic information. But, it wasn't until 1977 that Fred Sanger developed the first dideoxynucleotide chain termination bottom up assembly method for DNA. (84) This technique would later usher in a new age of nucleic acid research and open the door for the modern era of biotechnology. With the advent of the Polymerase Chain Reaction (PCR) (85) technology a virtual treasure trove of capabilities now exist for genetic and biochemical engineers to create customized DNA strands. This revolutionary process has created a multidisciplinary field of work within nanotechnology that intersects at the crossroads of computer science, biochemistry, material science, and engineering. This section on DNA-based nanosystems and computing will introduce several state of the art research applications and concepts currently being employed to produce DNA-based devices. It is crucial to formulate a basic understanding of the structure and chemical principles of the DNA molecule to fully grasp its potential as a building material for DNA-based nanosytems. For the lay reader we have constructed a simplistic outline to illustrate the general principles of the DNA molecule that hold true to their biochemical properties as they apply to bottom­ up nanostructure assemblies. 1. DNA consists of two long polymers made of simple units called nucleotides, with backbones made of sugars and phosphate groups joined by ester bonds. These two strands run in opposite directions to each other and are therefore anti-parallel. The double strands of DNA form a double helical structure. 2. The information in DNA is stored as a code made up of four chemical bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). The order, or sequence, of these bases determines the information available for building and maintaining an organism. These nucleotides bind through a chemical bonding process known as Watson and Crick base pairing . A bonds with T, and G bonds with C - a given sequence of such nucleotides will always bond with the complementary sequence.P 3. In its double helical configuration, DNA is a relatively rigid molecule. This rigidity can be further enhanced by bundling several double helixes to form DNA lattices and tiles to form synthesized nanoarchitechtures (87)(88)(89). 4. The Watson and Crick base-pairing principles have created predictable binding affinities in bench top applications. This knowledge of the intra- and inter-molecular physical properties of the DNA molecule enable the programming of desired interactions within the sequences to produce a customized sequence of DNA. 5. The ease in sequencing DNA based on the Sanger technique, which today has evolved into advanced automated processes, have made designer DNA strands readily available. Customized strand lengths or oligonucleotides (strands typically 100-200 base pairs long) can be easily ordered from various sequencing services or produced within the lab at relatively low costs with high throughput and quality. 6. Today biotechnologists can employ a library of unique restriction enzymes that can cut the DNA strand between specific nucleotides leaving "sticky ends", or single stranded P Sometimes transcription errors will result in an incorrect bond, such as A with G. These are single nucleotide polymorph isms, or SNPs (pronounced "snips"). SNPs are not uncommon in the human genome and have important implications in disease; however, in the current treatise we consider such "wrong" pairings to be errors that need correction . UNCLASSIFIED/ /FOR: orr1e11tt U:!E OHt I 24

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL na extremidade da dupla hélice (Figura 10). Esses fragmentos podem ser explorados para criar uma molécula recombinante de DNA por meio de: a. Inserir ou remover uma sequência específica de DNA. b. Prender um marcador molecular fluorescente. c. Amplificar a sequência pelo processo de PCR. [Figura 10: moléculas de DNA originais com o sítio GAATTC/CTTAAG; (1) cortar o DNA de duas fontes com a mesma enzima de restrição; (2) misturar os fragmentos e permitir que as pontas coesivas se unam por pareamento de bases; (3) incubar com DNA ligase para unir covalentemente cada fita; molécula de DNA recombinante.] Figura 10. Molécula de DNA recombinante com clivagem por enzima de restrição e ligação de pontas coesivas. 7. Usando com cuidado as ferramentas e tecnologias de recombinação disponíveis aos engenheiros genéticos, pode-se programar adequadamente um motivo de DNA sob medida, com pareamento de bases de Watson-Crick, que se automontará em solução. Esse método de automontagem é preferido em aplicações de pequena escala devido às dificuldades encontradas ao montar objetos em nanoescala pelo método tradicional de cima para baixo. A montagem de motivos de DNA com a ajuda de várias fitas ramificadas de DNA com pontas coesivas pode ser dirigida pela geometria e pela conectividade dos diferentes motivos. Uma vez montada a estrutura, pode-se produzir uma gama de redes de DNA (Figura 11). NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 25

Nota editorial: Figura 10 mostra a clivagem de dois DNAs pela mesma enzima, o pareamento das pontas coesivas e a ligação por ligase, formando DNA recombinante. Os colchetes descrevem a figura.

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UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL 09~ l>flti overhangs at the end of the double helix (Figure 10). These fragments can be exploited to create a recombinant molecule of DNA by; a. Inserting or removing a specific sequence of DNA. b. Attaching a fluorescent molecular beacon. c. Amplifying the sequence through the PCR process. 5,• ~----G A_A_T_T_C___--<1 3s•'3Original DNA _ CT TA A G _ molecules 5' GAATTC 3' CTTAAG 5'3• l ve DNAI from IWO, urc s3: ~---=GI_~ . C TTAAI O o vVtth s.arru'!' ·~trh t1on enzyme ~ £ ,fragmemsand~llow ¥7ic~y-end, to Join by base patnng I E) Incubate w,th DNA log.1se +10 t,nk each wand covo! ntly Recombinant DNA molecule Figure 10. Recombinant DNA molecule with restriction enzyme cleavage and sticky end ligation. 7. By carefully using the recombinant tools and technologies available to genetic engineers, one can properly program a customized Watson-Crick base-paired DNA motif that will self-assemble in solution. This method of self assembly is preferred on small scale applications due to the difficulties experienced when assembling nanoscale objects through the traditional top down method. Assembly of DNA motifs with t he aid of various branched DNA strands with sticky ends can be directed by the geometry and connectivity of the varying motifs. Once the structure is assembled a range of DNA latt ices can be produced (Figure 11) . UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&I.t.k W&E 8Nk\f 25

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL [Figura 11: (a) motivo simétrico em cruz e (d) motivo em estrela de três pontas; (b) e (e) micrografias de força atômica; (c) e (f) imagens de microscopia de fluorescência.] Figura 11. Dois nanomotivos de DNA simétricos e os cristais cultivados com eles. (a) e (d) mostram um motivo simétrico em cruz e um motivo em estrela de três pontas, respectivamente. As imagens (b) e (e) são micrografias de força atômica que mostram a estrutura cristalina, e (c) e (f) são imagens de microscopia de fluorescência de cristais bidimensionais de DNA montados a partir dos motivos de DNA (86). 8. Outro método de baixo para cima amplamente aceito para construir nanossistemas de DNA é um processo conhecido como deslocamento de fita ou migração ramificada. Esse método de montagem desloca uma fita de DNA e a substitui seletivamente por uma fita complementar mais forte, que em geral consiste em mais pares de bases de Watson-Crick. Esse método pode ser usado para corrigir erros de sequência cometidos durante a síntese de fitas e a montagem de peças de DNA, em portas lógicas complexas e para controlar motores de DNA. Em 1996, Winfree elaborou uma proposta teórica que tratava de como a morfologia e o padrão de um cristal podem ser programados pelo projeto das peças em um processo de montagem inerentemente assíncrono, abordado pelo Modelo Abstrato de Montagem de Peças (aTAM). (90) Winfree explorou como parâmetros físicos, como a concentração das peças e a temperatura, afetam o crescimento do cristal e influenciam as taxas de erro, com base nas taxas reversíveis de associação e dissociação das peças (91). Esse trabalho se baseou em esforços anteriores de Wang (92)(93) para embutir computação em peças geométricas, mostrando que a automontagem bidimensional (2D) de DNA pode realizar computação universal de Turing. Isso implica que qualquer algoritmo pode, em princípio, ser embutido em um processo de cristalização potencialmente aperiódico e guiá-lo. Nesse paradigma de "automontagem algorítmica", um conjunto de "peças de Wang" moleculares é visto como o programa de uma computação ou de uma tarefa de fabricação molecular específica. Uma colaboração posterior entre Winfree e Seeman resultou na primeira fabricação bem-sucedida de uma estrutura de rede bidimensional de DNA que utilizou o princípio matemático do ladrilhamento (94). A molécula autodenominada DX (duplo cruzamento) tem dois motivos de dupla hélice rigidamente ligados por várias fitas simples organizadas em um padrão de duplo cruzamento, formando uma estrutura rígida de DNA. Essas fitas de DNA são orientadas em direção paralela. Esse método permite a produção de redes baseadas em DNA explorando o uso de pontas coesivas em quatro extremidades. Essas extremidades podem então ser construídas mais adiante para montar um andaime de DNA com base em NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 26

Nota editorial: Figura 11 compara motivos de DNA em cruz e em estrela, com micrografias de redes cristalinas, como exemplo de automontagem 2D; o texto introduz a automontagem algorítmica.

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UNCLASSIFIED/ /FOR: orr1e1At l:ISI!! e .. tv Figure 11. Two symmetric DNA nanomotifs and the crystals grown using them. {a) and {d) show a symmetric cross motif and a three-point-star motif, respectively. Images {b) and {e) are atomic force micrographs showing the crystal structure, and (c) and (f) are fluorescence microscopy images of DNA 2D crystals assembled from the DNA motifs {86). 8. Another widely accepted bottom up method to construct DNA nanosystems is through a process known as strand displacement or branched migration . This assembly method displaces one DNA strand and selectively replaces it with a strong complementary strand which usually consists of more Watson Crick base pairs. This method can be utilized to correct sequence errors made during strand synthesis and DNA tile assembly and in complex logic gates, and for controll ing DNA motors. In 1996, Winfree devised a theoretical proposal that addressed how crystal morphology and patterning can be programmed by tile design in an inherently asynchronous assembly process, in which it was addressed by the abstract Tile Assembly Model (aTAM) . (90) Winfree explored how physical parameters, such as tile concentration and temperature, affect crystal growth and influence error rates, based on reversible tile associat ion and dissociation rates (91). This work was built on previous efforts by Wang 's (92)(93) embedding of computation in geometrical tiles showing that two-dimens ional (20) self-assembly of DNA can perform Turing-universal computation. This implies that any algorithm can in princip le be embedded in, and guide, a potentially aperiodic crystallization process. In this "algorithmic self­ assembly" paradigm, a set of molecu lar "Wang tiles" is viewed as the program for a particular computation or molecular fabrication task. Later collaboration between Winfree and Seeman resulted in the first successful fabrication of a two-dimensional DNA lattice structure that util ized the mathemat ical principle of tiling (94) . The self named DX (double crossover) molecule has two double helical motifs that are rigidly bound together by several single strands that are organized in a double crossover pattern forming a rigid structure of DNA. These DNA strands are oriented in a parallel direction. This method allows for the production of DNA based lattices by exploiting the use of sticky ends at four ends. These ends can then be further constructed to build up a scaffold of DNA based on UNCLASSIFIED/ ,{FOR OFFICIO .. Uii 8PtLY 26

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Sumário Resumo ........ 5 Introdução ........ 7 Poder de computação ultrarrápido em aplicações aeroespaciais ........ 7 Tornar mais rápidos os circuitos digitais ........ 8 Aplicações dos computadores quânticos ........ 10 A caixa fechada e a tolerância a falhas ........ 11 Escalabilidade ........ 12 Lógica universal ........ 12 Inicialização e medição ........ 13 A abordagem por pontos quânticos ........ 13 Pontos quânticos eletrostáticos em grafeno ........ 14 Pontos quânticos em nanofitas de grafeno ........ 15 Disco de grafeno em grafeno de camada única ........ 16 Disco de grafeno em grafeno bicamada ........ 17 Manipulação de qubits de spin em pontos quânticos de grafeno em comparação com GaAs ........ 18 Relaxação e desfasamento de spin em pontos quânticos de grafeno ........ 19 Relaxação de spin devida à interação spin-órbita ........ 20 Pesquisas com pontos quânticos de grafeno ........ 21 Resumo de tecnologias inorgânicas adicionais ........ 21 Tecnologias fotônicas ........ 21 Tecnologias de armadilhas de íons e de átomos ........ 22 Tecnologias de ressonância magnética nuclear (RMN) ........ 22 Tecnologias supercondutoras ........ 22 Projetos de computadores moleculares baseados em DNA ........ 23 Fundamentos do DNA ........ 23 Mecanismos de supressão de erros na automontagem de DNA ........ 28 Automontagem com dispositivos microfluídicos baseados em DNA ........ 31 Origami de DNA ........ 32 Engenharia de portas lógicas baseadas em DNA ........ 35 Operação lógica por desoxirribozimas ........ 35 NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 2

Nota editorial: Sumário do relatório, primeira página.

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UNCLASSIFIED/ }Fdk OFFICIAL U.!r:: BHL\I Contents Summary ........................................................................................................................ 5 Introduction ................................................................................................................... 7 Ultrafast Computing Power in Aerospace Applications ................................................... 7 Making Digital Circuits Faster ..................................................................................... 8 Applications of Quantum Computers ........................................................................ 10 The Closed Box and Fault Tolerance ......................................................................... 11 Scalability ................................................................................................................ 12 Universal Logic ......................................................................................................... 12 Initialization and Measurement ................................................................................ 13 The Quantum Dot Approach ................................................................................. 13 Electrostatic Quantum Dots in Graphene .............................................................. 14 Quantum Dots in Graphene Nanoribbons ............................................................. 15 Graphene Disc in Single-Layer Graphene ............................................................. 16 Graphene Disc in Bilayer Graphene ...................................................................... 17 Manipulation of Spin Qubits in Graphene Quantum Dots Relative to GaAs ........... 18 Spin Relaxation and De-phasing in Graphene Quantum Dots ............................... 19 Spin Relaxation Due to Spin-orbit Interaction ...................................................... 20 Research with Graphene Quantum Dots ............................................................... 21 Summary of Additional Inorganic Technologies ....................................................... 21 Photon Technologies ............................................................................................ 21 Ion and Atomic Trap Technologies ....................................................................... 22 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technologies ............................................... 22 Superconducting Technologies ............................................................................. 22 DNA-based Designs for Molecular Computers ........................................................... 23 DNA Background .................................................................................................. 23 Error Suppression Mechanisms in DNA Self-Assembly .......................................... 28 Self-assembly with DNA-based Microfluidic Devices ............................................ 31 DNA Origami ........................................................................................................ 32 Engineering DNA-Based Logic Gates .................................................................... 35 Logic Operation by Deoxyribozymes .................................................................... 35 UNCLASSIFIED/ /FAR 055iliCl.\k W&E 8HLY 2

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Autômatos booleanos baseados em desoxirribozimas ........ 39 Bases robóticas (o robô de DNA) ........ 40 Nanomotores de DNA ........ 41 O nanocaminhante: uma abordagem tipo aranha ........ 43 Discussão ........ 45 Conclusão ........ 46 Referências ........ 48 Figuras Figura 1. Estrutura hexagonal do grafeno ........ 14 Figura 2. Ponto quântico em nanofita de grafeno ........ 15 Figura 3. À esquerda: diagrama de energia de um ponto quântico em grafeno de camada única. À direita: níveis de estados ligados em função do raio do ponto ........ 16 Figura 4. (a) Gráfico em escala de cores da transcondutância. (b) Um dos vértices da estrutura em favo de mel com Vsd = 800 µV: diagramas de estabilidade de carga de pontos quânticos acoplados em série ........ 16 Figura 5. Ponto quântico em grafeno bicamada ........ 17 Figura 6. Estrutura de um dispositivo de tunelamento em grafeno bicamada ........ 18 Figura 7. Piano de qubits ........ 19 Figura 8. Acoplamento a longa distância de três qubits de grafeno ........ 19 Figura 9. Uma nanomáquina de DNA acionada pela adição sequencial repetida de fitas de controle de DNA ........ 23 Figura 10. Molécula de DNA recombinante com clivagem por enzima de restrição e ligação de pontas coesivas ........ 25 Figura 11. Dois nanomotivos de DNA simétricos e os cristais cultivados com eles ........ 26 Figura 12. (parte superior, a-e) O autômato celular XOR e sua implementação por automontagem baseada em peças ........ 27 Figura 12 (continuação). (parte inferior, a-e) Imagens de microscopia de força atômica (AFM) da automontagem algorítmica de cristais em triângulo de Sierpinski ........ 28 Figura 14. Resultados de simulação do crescimento em (A) OTM, (B) PTM e (C) LTM ........ 30 Figura 15. Três tipos de erro na automontagem de peças de DNA: (a) erro de crescimento, (b) erro de face, (c) erro de nucleação. As linhas vermelhas indicam os lados incompatíveis ........ 31 Figura 13. Supressão de erros com o método PTM ........ 30 Figura 16. Dispositivo microfluídico para automontagem de peças de DNA ........ 32 Figura 17. (A) Diagrama esquemático de um sintetizador microfluídico de DNA de 16 colunas. (B) Detalhe esquemático da matriz de colunas ........ 33 Figura 18. Projeto de origami de DNA ........ 34 Figura 19. Vários caminhos de dobragem de origami de DNA ........ 34 Figura 20. Projeto funcional de uma porta lógica baseada em DNA ........ 37 Figura 21. Representação simplificada de uma porta lógica de DNA ........ 38 Figura 22. Estruturas básicas de portas, derivadas da desoxirribozima E6 regulada alostericamente, para jogar o jogo da velha contra um oponente humano ........ 39 Figura 23. Circuito lógico de DNA de primeira geração (MAYA I) que joga o jogo da velha ........ 40 Figura 24. Nanomotor de molécula única baseado em DNA, acionado por fótons ........ 42 Figura 25. Varredura AFM de caminhantes seguindo um padrão de trilha colocado na superfície ........ 43 NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 3

Nota editorial: Sumário, segunda página, com o início da lista de figuras. A numeração das figuras 13 a 15 aparece fora de ordem no original.

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UNCLASSIFIED/ /P91t 9PPl@IAL l:ISIE 8HLY Deoxyribozyme-based Boolean Automata ............................................................ 39 Robotic Bases (The DNA Robot) ........................................................................... 40 DNA Nanomotors .................................................................................................. 41 The Nano Walker; a Spider-like Approach ............................................................ 43 Discussion ................................................................................................................ 45 Conclusion ................................................................................................................ 46 References ................................................................................................................ 48 Figures Figure 1. Hexagonal structure of graphene ..................................................................... 14 Figure 2. Quantum dot in graphene nanoribbon .............................................................. 15 Figure 3. Left; Energy diagram for quantum dot in single-layer graphene. Right; Bound state levels as function of dot radius ............................................................. 16 Figure 4. (a) Color scale plot of the transconductance. (b) One of the vertices of the honeycomb structure at Vsd = 800 µV: Charge stability diagrams for series- coupled quantum dots ...................................................................................... 16 Figure 5. Quantum dot in bilayer graphene ..................................................................... 17 Figure 6. Bilayer graphene tunneling device structure ................................................. 18 Figure 7. Qubit piano ........................................................................................................ 19 Figure 8. Long distance coupling of three graphene qubits ............................................ 19 Figure 9. A DNA nanomachine driven by repeated sequential addition of DNA control strands .............................................................................................................. 23 Figure 10. Recombinant DNA molecule with restriction enzyme cleavage and sticky end ligation ....................................................................................................... 25 Figure 11. Two symmetric DNA nanomotifs and the crystals grown using them .......... 26 Figure 12. (top a-e) The XOR Cellular Automaton and Its Implementation by Tile-Based Self-Assembly ............................................................................................. 27 Figure 12 (continued). (bottom a-e) AFM Images of Algorithmic Self-assembly of Sierpinski Triangle Crystals ........................................................................... 28 Figure 14. Simulation results of growth in (A} the OTM, (B) the PTM, and (C} the LTM.30 Figure 15. Three Types of Error in DNA Tile Self-assembly (a) Growth error (b) Facet Figure 13. Error Suppression with the PTM Method ........................................................ 30 error (c) Nucleation error. Red lines indicate the mismatched sides .......... 31 Figure 16. Micro-fluidic device for DNA tile self-assembly ............................................ 32 Figure 17. (A) Schematic diagram of a 16-column microfluidic DNA synthesizer (B) Close up schematic of the column array ............................................... 33 Figure 18. Design of DNA origami ................................................................................ 34 Figure 19. Several DNA origami folding paths .............................................................. 34 Figure 20. Functional design of a DNA based logic gate ............................................... 37 Figure 21. Simplistic rendering of a DNA logic gate ...................................................... 38 Figure 22. Basic gate structures, derived from allosterically regulated deoxyribozyme E6, for playing tic-tac-toe against a human opponent ................................ 39 Figure 23. First Generation (MAYA I) DNA-based Logic Circuit that plays tic-tac-toe ... 40 Figure 24. A single molecule DNA-based nanomotor driven by photons ....................... 42 Figure 25. AFM Scan of walkers as they follow a track pattern places on the surface .. 43 UNCLASSIFIED/ /EAR OEEICI Pk Wlili BHLY 3

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TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 5

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Figura 26. O nanocaminhante criado na Universidade de Columbia é uma molécula de proteína decorada com três pernas: DNAzimas de fita simples, moléculas sintéticas de DNA que atuam como enzimas e catalisam uma reação ........ 44 Figura 27. Caminhante molecular baseado em desoxirribozima e paisagem prescritiva do origami ........ 45 NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 4

Nota editorial: Fim da lista de figuras (figuras 26 e 27).

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UNCLASSIFIED/ /FOR: 8ffl@IAL U.!I! 014Li Figure 26. The Nano walker made at Columbia University is a protein molecule decorated with three legs--single-stranded DNAzymes, synthetic DNA molecules that act as enzymes and catalyze a reaction ............................. 44 Figure 27. Deoxyribozyme-based molecular walker and origami prescriptive landscape . ..................................................................................................................................... 45 UNCLASSIFIED/ /FOR AliliiliCIAk W&i 9PU::J.f 4

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TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 6

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Computação Quântica e Uso de Moléculas Orgânicas em Tecnologia de Automação Resumo Um hardware de computação poderoso a bordo é uma opção desejada para as viagens espaciais do futuro. Sem grande capacidade de processamento de dados, as enormes quantidades de dados obtidos durante o voo, vindos de sensores astronômicos e de sensores da tripulação e do veículo, precisarão ser enviadas de volta a máquinas na Terra para serem processadas, o que introduz atrasos medidos em horas para cálculos de rotina. As trajetórias atuais do hardware comercial de computadores, em semicondutores de substrato de silício, dificilmente produzirão um supercomputador resistente à radiação, pequeno e portátil sem alterações significativas específicas para cada missão. Entre as alternativas à tecnologia tradicional de computação estão computadores baseados em estados quânticos emaranhados e hardware de computação molecular baseado em moléculas de DNA. Esta revisão inclui uma introdução substancial aos elementos necessários da computação quântica e um resumo das tecnologias de ponta. Em seguida vem o histórico do DNA e da produção de cadeias de DNA projetadas. Por fim, apresentam-se portas lógicas de DNA, juntamente com um tratamento das nanomáquinas que repararão circuitos de DNA. Ao longo do texto são incluídas previsões do desenvolvimento tecnológico nos horizontes de 10 a 20 anos e de 40 anos, bem como uma discussão-síntese e uma conclusão. Os primeiros computadores quânticos em operação capazes de resolver problemas do mundo real começarão a funcionar em até 10 anos e serão baseados na tecnologia de armadilhas de íons. Isso se baseia inteiramente na quantidade de recursos de pesquisa dedicados ao problema e no fato de que parecem restar apenas desafios de engenharia. As armadilhas atômicas e de íons exigem sistemas criogênicos e de blindagem eletromagnética muito substanciais e não são práticas para viagens espaciais. As tecnologias fotônicas puras disponíveis hoje têm dificuldade tanto com miniaturização quanto com escalabilidade. No entanto, a quantidade de trabalho ativo na área torna provável um avanço disruptivo no horizonte de 10 anos. Computadores ópticos provavelmente serão realizados no horizonte de 20 anos; contudo, a promessa muito poderosa da computação quântica ainda terá problemas de perda de fótons em qualquer dispositivo de estado sólido. O horizonte de 40 anos verá as tecnologias de fótons desempenharem um papel essencial, porém de apoio, na computação quântica distribuída. Sistemas totalmente ópticos não quânticos, uma vez realizados, terão vantagens de tolerância à radiação sobre a tecnologia atual de semicondutores e provavelmente complementarão ou até substituirão dispositivos de computação de uso geral para viagens espaciais. Projetos híbridos que utilizem matrizes de pontos quânticos e canais de comunicação por fótons serão uma opção de supercomputação para viagens espaciais na escala de tempo de 40 anos. Esses sistemas operam em temperaturas alcançáveis, sem criogenia, e não exigem mais blindagem do que os seres humanos. É provável que a spintrônica seja um ingrediente essencial. A computação orgânica simples baseada em peças de DNA será realizada nos próximos 20 anos. No horizonte de 40 anos, dispositivos úteis baseados em DNA serão ferramentas essenciais de exploração espacial. Poderão assumir a forma de sensores sem fio lançados de órbita, que investiguem feições de planetas ou asteroides ou procurem compostos essenciais, como altas concentrações de água. Computadores de DNA também serão realizados na escala de 40 anos. Sua vantagem sobre dispositivos de estado sólido será a capacidade de reparar elementos em escala nanométrica danificados pelo uso normal ou pela radiação cósmica. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 5

Nota editorial: Resumo do estudo: propõe computadores quânticos e de DNA para missões espaciais futuras e apresenta previsões de 10, 20 e 40 anos que são projeções do autor, não resultados já obtidos.

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UNCLASSIFIED/ /FOR. 8FFI@IAL l!ISI!!! er~t I Quantum Computing and Utilizing Organic Molecules in Automation Technology Summary Powerful onboard computing hardware is a desired option for future space travel. Without large data processing capability, the copious amounts of data acquired during flight from astronomical sensors as well as crew and vehicle sensors will need to be sent back to earthbound machines for processing, introducing delays measured in hours for routine calculations. Current commercial computer hardware trajectories in silicon substrate semiconductors are not likely to produce a radiation-hard or small and portable supercomputer without significant mission-specific alteration. Alternatives to traditional computing technology include computers based on entangled quantum states and molecular computing hardware based on DNA molecules. Included in th is review is significant introduction to the necessary elements of quantum computing and a summary of the state-of-the-art technologies. Following is background on DNA and production of engineered DNA chains. Finally, DNA logic gates are presented along with a treatment of nanomachines that will repair DNA circuitry. Forecasts of technology development in the 10-20 and 40-year horizons are included along the way, as well as summary discussion and a conclusion. The first operating quantum computers capable of solving real-world problems will commence within 10 years and be based on ion trap technology. This is entirely based on the amount of research resources dedicated to the problem and the fact that there appear to only be engineering challenges remaining. Atomic and ion traps require very substantial cryogenic and EM shielding systems and are not practical for space travel. Pure photonic technologies available today have difficulty with both miniaturization and scalability. However, the amount of active work in the field makes a disruptive advance likely in the 10-year timeframe . Optical computers will likely be realized in the 20-year horizon; however, the very powerful promise of quantum computing will still have issues with photon loss in any solid state device. The 40-year horizon will see photon technologies play an essential but supporting role in distributed quantum computing. Realized all-optical non­ quantum systems will have radiation tolerance advantages over current semiconductor technology and are likely to augment or even replace general -purpose computing devices for space trave l. Hybrid designs uti lizing arrays of quantum dots and photon communication channels will be an option for space travel supercomputing on the 40-year timescale. These systems operate at attainable temperatures without cryonics, and require no more shielding than humans. It is likely that spintronics will be an essential ingre dient. Simple organic computing based on DNA tiles will be realized in the next 20 years. On the 40-year time horizon, useful DNA-based devices will be essential space exploration tools. These could take the form of orbital-del ivered wireless sensors searching planetary/asteroid features or for essential compounds such as high concentrations of water. DNA computers will also be realized on the 40-year timeline . Their advantage over solid state devices will be the ability to repair nanoscale elements damaged in normal use or by cosmic radiation. UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICIAL 031!!! l>flt I 5

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Esses sistemas não serão os mais rápidos do astro-arsenal, mas a autorreparação pode torná-los os mais robustos. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 6

Nota editorial: Última frase do resumo, isolada nesta página.

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UNCLASSIFIED/ /FAQ OFFI€i1Al 1481: 8Ht'I" These will not be the fastest systems in the astro-arsenal, but self-repair may make them the most robust. UNCLASSIFIED//FOR OPPICil<t U:!I!! 8HLY 6

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL INTRODUÇÃO Os computadores de hoje não são o que costumavam ser. No século XVII, um computador era simplesmente uma pessoa que realizava cálculos. Nesse sentido, os primeiros computadores eram universalmente programáveis e, em última instância, utilizavam uma arquitetura de hardware orgânica (DNA). O sentido moderno de computador, como uma máquina que manipula uma entrada para produzir uma saída determinística, surgiu do trabalho de Turing na década de 1930. Uma máquina de Turing consiste em quatro partes: uma fita com células de símbolos, uma cabeça de leitura, uma tabela de ações e um registrador de estado. Em operação, o registrador de estado é inicializado, a primeira célula da fita é lida pela cabeça, a tabela traduz o símbolo em uma ação no registrador de estado e a fita avança para ler o símbolo seguinte. O ciclo de ler, agir e avançar a fita se repete até o programa terminar.(1) Qualquer cálculo que um computador digital moderno possa realizar pode ser realizado com uma máquina de Turing.ª O hardware moderno de processamento digital, usado pela primeira vez no ENIAC na década de 1950, baseia-se em portas lógicas. Todas as funções de um computador consistem nos elementos lógicos básicos E (AND), OU (OR), NÃO (NOT) etc. Eles são realizados eletronicamente pela produção de portas lógicas, combinações de transistores que executam a função lógica sobre os dados de entrada. Um exercício comum da pedagogia didática da lógica digital é projetar todas as portas lógicas básicas usando apenas portas NAND ou NOR; assim, qualquer elemento de hardware capaz de executar a função NAND pode construir um computador completo.ᵇ Os projetos ótimos costumam ser mais elegantes do que combinar uma única porta de duas entradas, mas, como prova de princípio para qualquer arquitetura, basta que ela consiga produzir um inversor e uma porta lógica simples (E/OU). A busca por computação mais rápida pode ser feita tornando mais rápida a arquitetura de hardware atual ou projetando novo hardware, baseado em arquitetura diferente, que resolva o cálculo em menos passos. O presente tratado concentra-se neste último caminho, mudando drasticamente a arquitetura dos computadores modernos para realizar cálculos de outro modo. Exploram-se dois métodos: o de criar portas lógicas e o de criar uma máquina de Turing geral. O segundo é explorado no contexto da computação quântica, com ênfase em moléculas orgânicas como tecnologia central. Tratam-se projetos de portas lógicas que utilizam DNA. O histórico de todas essas áreas de pesquisa é incluído primeiro. Por fim, esboçam-se máquinas de DNA capazes de montar e reparar a tecnologia de DNA. PODER DE COMPUTAÇÃO ULTRARRÁPIDO EM APLICAÇÕES AEROESPACIAIS A história dos voos espaciais tripulados não inclui computadores poderosos como companheiros integrados; os supercomputadores a bordo de naves ficaram até agora reservados ao mundo da ficção científica. O principal problema nas estações espaciais tem sido a resistência à radiação, enquanto em veículos como o ônibus espacial o principal problema tem sido a segurança. A quantidade de testes exigida para certificar um microprocessador para uso no espaço impede que a tecnologia mais atual se torne apta ao espaço. De fato, os computadores de uso geral mais poderosos a bordo do ônibus espacial são os laptops que os astronautas levam consigo. ª A história completa dos computadores até a década de 1950 é fascinante. Um bom resumo está disponível nos verbetes da Wikipedia "computer" e "Turing machine", entre outros lugares. O modelo de máquina de Turing apresentado é simplificado. ᵇ O exercício didático costuma ser seguido de um exercício de laboratório em placas de ensaio e da medição da tabela-verdade. As portas NAND são populares porque são particularmente simples de fabricar com a tecnologia atual. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 7

Nota editorial: Introdução: explica a máquina de Turing e as portas lógicas e apresenta a motivação aeroespacial; o autor trata a computação de DNA como pesquisa de engenharia inspirada em processos biológicos.

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UNCLASSIFIED//P91t 9PPl@IAL l!ISI!!! 9HL'I INTRODUCTION Computers today are not what they used to be. In the 17th century, a computer was merely a person who performs computations. In this sense, the first computers were universally programmable and were ultimately utilizing organic (DNA) hardware architecture. The modern sense of a computer as a machine that manipulates input to produce deterministic output emerged from the work of Turing in the 1930s. A Turing machine consists of four parts: tape containing cells of symbols, read head, action table, and state register. In operation, the state register is initialized, the first cell of the tape is read by the head, the table translates the symbol into an action in the state register, and the tape is advanced to read the next symbol. The read, action, advance tape loop is repeated until the program ends.(1) Any calculation a modern digital computer can perform can be accomplished using a Turing machine .a Modern digital processing hardware, first used in the ENIAC in the 1950s, is based on logic gates. All functions of a computer consist of the basic logic elements AND, OR, NOT, etc. These are accomplished electronically by producing logic gates, combinations of transistors that perform the logic function on input data. A common exercise in didactic digital logic pedagogy is to design all of the basic logic gates using only NANO or NOR gates; thus, any hardware element that can execute the NAND function can build a complete computer.b Optimum designs are regularly more elegant than combining a single two-input gate, but it is sufficient as proof of principle for any architecture to be able to produce an inverter and a simple logic gate (AND/OR). The quest for faster computing can be accomplished by making current hardware architecture faster, or by designing new hardware based on different architecture that solves the calculation in fewer steps. The current treatise concentrates on the latter, dramatically changing the architecture of modern computers to perform calculations in a different manner. Two methods are explored: that of creating logic gates, and that of creating a general Turing machine. The second of these is explored in the context of quantum computing with an emphasis on organ ic molecules as a core technology. Designs of logic gates utilizing DNA are covered. Background on all these areas of research is included first. Finally, DNA machines that can assemble and repair DNA technology are outlined. ULTRAFAST COMPUTING POWER IN AEROSPACE APPLICATIONS The history of manned spaceflight does not include powerful computers as integrated companions; space-borne supercomputers have so far been reserved to the world of science fiction. The main issue on space stations has been radiation hardness, while the main issue on vehicles such as the space shuttle has been safety. The amount of testing required for a microprocessor to be certified for space precludes the most current technology from becoming astro-worthy. Indeed, the most powerful general purpose computers riding in the shuttle are the laptops the astronauts bring with them. • The complete history of computers up unt il the 1950s is a fascinating story. A good summary of this history is available in the Wikipedia entries for "computer " and "Turing machine " among other places. The mode l of a Turing machine presented is simplified . b The didactic exercise is usually followed by a laboratory exercise on breadboards and measurement of the truth table . NAND gates are popular because they are particularly simple to manufactu re with current technology . UNCLASSIFIED/ lfQB OFFICIO! I !Si OPIL¥ 7

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TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 9

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL O primeiro desafio a superar na supercomputação no espaço é a radiação, que causa erros temporários e permanentes nos cálculos. A abordagem atual é tornar os componentes de estado sólido resistentes à radiação, um processo demorado e custoso. Uma abordagem alternativa é usar vários componentes comerciais de prateleira (COTS) em arquitetura paralela. O grupo de George, na Universidade da Flórida, seguiu essa abordagem com sucesso em solo. (2, 3) Surge uma boa pergunta: se 50 anos de viagens espaciais não exigiram um único supercomputador de bordo, por que começar agora? Parece que a NASA também fez essa pergunta e, depois de anos de preparação, cancelou o teste espacial da tecnologia no fim de 2009. Independentemente da necessidade das missões atuais, é possível imaginar muitas aplicações futuras em que seria mais conveniente processar dados em longas missões espaciais sem baixá-los para um sistema na Terra e enviar de volta os resultados. Isso vale especialmente para voos espaciais de longa duração, nos quais os atrasos de comunicação poderiam ser de minutos a horas (Marte, cerca de 13 minutos; Júpiter, cerca de 45 minutos; Netuno, cerca de 4 horas). As espaçonaves ativas no horizonte de 40 anos exigirão tecnologia de supercomputação a bordo para processar todos os dados a serem adquiridos durante o voo. Isso inclui dados astronômicos e dados da nave e da tripulação.ᶜ Exemplos de missões incluem Marte, com o objetivo de analisar o planeta usando milhares de sensores semiautônomos ou milhões de nanomáquinas independentes que se comunicam sem fio ("poeira mágica"). Em tais cenários, não são necessariamente os números que precisam de muito processamento, mas os algoritmos que precisam rodar em sistemas poderosos, que podem ser não tradicionais em seu projeto, por exemplo, massivamente paralelos. TORNAR MAIS RÁPIDOS OS CIRCUITOS DIGITAIS Considerando a física subjacente à eletrodinâmica da operação de transistores, a escala dos elementos constituintes domina o tipo de análise necessária. No regime macroscópico, os constituintes são medidos em mícrons ou mais, as propriedades são dominadas por médias estatísticas bem definidas na matéria em volume e os efeitos não clássicos, decorrentes do fato de que todas as partículas envolvidas nas interações são na verdade flutuações de um campo quântico relativístico, podem ser ignorados com segurança. Durante 40 anos, fazer um transistor rápido foi obtido principalmente evitando a saturação entre estados, em um arranjo conhecido como lógica de emissores acoplados (ECL, pronunciada "ek-el"). A família de circuitos lógicos ECL conseguia tempos de comutação abaixo de um nanossegundo e dominou a vanguarda da computação de alta velocidade até o início da década de 1990. A desvantagem da ECL era que, sem alcançar a saturação, não existia zona de depleção dentro dos transistores individuais e, assim, a corrente fluía por grande parte do hardware do dispositivo, em vez da pequena corrente de fuga habitual associada às portas em estado definido. O grande fluxo de corrente da ECL torna desafiadores o resfriamento e as exigências de energia, especialmente em plataformas espaciais, onde a dissipação de calor é um problema. As tecnologias de saturação, principalmente baseadas em MOSFET, superaram a velocidade dos dispositivos de alta corrente quando a pegada dos elementos individuais ficou pequena o bastante para que uma mudança entre estados de depleção pudesse ser rapidamente estabilizada, dadas as velocidades de deriva comparativamente lentas dos portadores de carga primários. Esses dispositivos da família de tecnologia CMOS são o estado da arte atual em circuitos integrados e os aumentos de velocidade dos dispositivos, até recentemente, eram dominados pela redução dos elementos do circuito (ver abaixo). A Intel produz CIs em grande volume com elementos de circuito de 32 nm e demonstrou elementos de memória com passo de 22 nm.ᵈ ᶜ O cenário de vários canais de aquisição massiva de dados foi apresentado no Workshop sobre Avanços Tecnológicos para a Exploração Espacial Humana, em 17 de junho de 2010, na sede da NASA, em Washington, DC. A navegação é e continuará sendo feita por máquinas de computação tradicionais: é apenas ciência de foguetes que precisa ser resolvida para fins de navegação. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 8

Nota editorial: Discute radiação, computação paralela com componentes comerciais e atrasos de comunicação em missões futuras; os cenários são prospectivos. Cita o cancelamento, em 2009, de um teste espacial da NASA.

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UNCLASSIFIED//POR: OPPICIAL USE OIILI The first challenge to overcome in supercomputing in space is radiation causing temporary and permanent errors in calculation. The current approach is to make the solid state components radiation-hard, a time-consuming and costly process. An alternate approach is to use multiple commercial-off-the-shelf (COTS) components in parallel architecture. George's group at the University of Florida pursued this approach with earthbound success. (2, 3) A good question arises that if 50 years of space travel hasn't required one onboard supercomputer, why start now? It seems NASA asked this question as well and, after years of preparation, cancelled the space test of the technology in late 2009. Regardless of the need for current missions, one can imagine many future applications where it would be more convenient to data process on long space missions without downloading data to Earth-based system and uploading the results. This is especially true for long­ duration spaceflight where communication delays could be minutes to hours (Mars ~13 minutes, Jupiter ~45 minutes, and Neptune ~4 hours). Spacecraft active in the 40-year horizon will require supercomput ing technology on-board to process all of the data to be acquired during flight. This includes astronomical data as well as ship and crew data. c Example missions include Mars with a goal to analyze the planet using thousands of semi­ autonomous sensors or millions of independent, wirelessly communicating nanomachines ("magic dust"). In such scenarios, it is not necessarily numbers that need lots of crunching, but algorithms that need to be run on powerful systems that could be non-traditional in their design; for example, massively parallel. MAKING DIGITAL CIRCUITS FASTER In consideration of the underlying physics in the electrodynamics of transistor operation, the scale of the constituent elements dominates the type of analyses required. In the macroscopic regime, constituents are measured in microns or larger, properties are dominated by well-defined statistical averages in bulk matter, and non-classical effects due to the underlying fact that all particles involved in the interact ions are really fluctuations within a relativistic quantum field can safely be ignored. For 40 years making a fast transistor was primarily accomplished by avoiding saturation between states in an arrangement known as emitter coupled logic (ECL, pronounced "ek-el"). The ECL family of logic circuits could achieve sub-nanosecond switching times and dominated the leading-edge of high-speed computing up until the early 1990s. The drawback of ECL was that without reaching saturation, no depletion zone existed within the individual transistors and thus current flowed through much of the device hardware instead of the usual small leakage current associated with gates in a defined state. ECL's large current flow makes cooling and power requirements challenging, especially for space-based platforms where heat dissipation is an issue. Saturation technologies, primarily MOSFET-based, surpassed the speed of high-current devices when the footprint of individual elements became small enough that a change between depletion states could be quickly stabilized, given the comparably slow drift velocities of primary charge carriers. These CMOS-family technology devices are the current state-of-the-art in integrated circuits, and device speed increases, until recently, were dominated by making the circuit elements smaller (see below). Intel produces high volume !Cs with circuit elements size at 32 nm, and has demonstrated memory elements in 22 nm c The scenario of several massive data acquisition channels was presented at the Workshop for Technology Breakthroughs for Human Space Exploration , June 17th 2010, NASA Headquarters , Washington DC. Navigation is and will continue to be handled by traditional computing machines - it is only rocket science that needs to be solved for navigation purposes. UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICil.t.k W&E 8HL1/ 8

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TRECHO 28 · PÁGINA FÍSICA 28

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] a ligação complementar dos pares de bases de Watson-Crick que correspondem a cada extremidade adesiva. Dessa maneira, é possível construir uma estrutura em rede sobre a estrutura de base, sintetizando motivos DX adicionais para formar o que se conhece como "ladrilho de DNA". Esses ladrilhos podem ainda ser usados como andaime para outras estruturas moleculares. Para imaginar o processo de ladrilhamento do aTAM, é fácil visualizar vários ladrilhos com números diferentes escritos nos lados, indicando regras de correspondência: dois ladrilhos só se unem se seus contatos coincidirem. Interações de correspondência adicionais podem ser dispostas de modo que ladrilhos adjacentes mantenham firmemente o seguinte no lugar, enquanto uma única interação cria apenas uma ligação fraca. A Figura 12 ilustra uma instanciação do processo de automontagem algorítmica, em que conjuntos de quatro espécies de ladrilhos representam a função XOR (OU exclusivo) para criar um padrão de triângulo de Sierpinski. A chamada estrutura-semente é usada para fornecer os valores iniciais que dão início à automontagem algorítmica. Deve-se notar, porém, que podem ocorrer eventos aleatórios de nucleação. Ainda assim, a automontagem algorítmica criou um meio de emular autômatos celulares. [diagrama: regra z = x XOR y; entradas x e y; saída z] Figura 12. (alto, a-e) O autômato celular XOR e sua implementação por automontagem baseada em ladrilhos. (embaixo, a-e) Imagens de microscopia de força atômica (AFM) da automontagem algorítmica de cristais de triângulo de Sierpinski. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 27

Nota editorial: Página do estudo da DIA (dezembro de 2010) sobre automontagem algorítmica de ladrilhos de DNA, com a figura 12 (autômato XOR e triângulo de Sierpinski).

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL 031! BHLY the complementary binding of the Watson-Crick base pairs that correspond to each sticky end. In this way, a lattice structure can be built upon the base structure by synthesizing additional DX motifs to construct what is known as a "DNA tile." These tiles can be further utilized as a scaffold for additional molecular structures. In order to envision the aTAM tiling process, it is easy to picture various tiles with different numbers written on the sides, indicat ing matching rules where two tiles would stick only if their contacts matched. Additional matching interactions can be arranged in a manner that adjacent tiles can strongly hold the next one in place, but a single interaction creates a weak bond. Figure 12 illust rates an instant iation of the algorithmic self assembly process, in which sets of four species tiles that represents XOR ( exclusive OR) function to create a Sierpinski triangle pattern. The so called seed structure is used to input the initial values that commence the algorithmic self assembly process. However, it must be noted that random nucleat ion events may occur. Nevertheless, algorithmic self-assembly has created a means to emulate cellular automata. A l = 2 : I = 0 : z = xEBy output - z z ~ ~ ~ inputs - x y D * E - - - y .... ..... ........ ~-~ --- --·-- - Figure 12. (top a-e) The XOR Cellular Automaton and Its Implementation by Tile -Ba sed Self-Assembly . (bottom a-e) AFM Images of Algorithmic Self-assembly of Sierpinski Triangle Crystals. UNCLASSIFIED/ /FOA QFFl&IAL Y!H! 8Ht, 27

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TRECHO 29 · PÁGINA FÍSICA 29

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Figura 12 (continuação). (alto, a-e) O autômato celular XOR e sua implementação por automontagem baseada em ladrilhos. (embaixo, a-e) Imagens de AFM da automontagem algorítmica de cristais de triângulo de Sierpinski. Em teoria, esse processo permite aos cientistas construir um computador com material em escala nanométrica usando ladrilhos de DNA (95). O sucesso experimental desse ensaio demonstrou que a automontagem algorítmica bidimensional oferece novas capacidades de computação e construção, bem como uma nova gama de fenômenos físicos e desafios experimentais. Mecanismos de supressão de erros na automontagem de DNA A automontagem molecular é uma tecnologia emergente que, no fim, permitirá fabricar grandes quantidades de objetos complexos em escala nanométrica, como circuitos de computador, a custo muito baixo. Como a técnica de montagem ascendente com ladrilhos de DNA depende da lógica de programar a automontagem, ela exige uma situação em que a especificidade da ligação das extremidades adesivas seja infalível. Na realidade, porém, a correção da correspondência entre ladrilhos não pode ser garantida, por causa da termodinâmica e da cinética da automontagem dos ladrilhos de DNA. Esse processo, por si só, resulta em etapas de montagem errôneas ocasionais. O número de erros de montagem aumenta com o número de tipos de ladrilhos, e os erros acumulados tornam a computação complexa em larga escala praticamente inviável. Os erros de montagem podem ser classificados em três tipos: 1) erros de crescimento; 2) erros de faceta; 3) erros de nucleação. Os erros de crescimento e de faceta ocorrem na frente de crescimento de uma montagem existente, enquanto os erros de nucleação dizem respeito ao início espúrio de montagens. Um erro de crescimento ocorre quando um ladrilho de DNA com uma ou mais extremidades adesivas desemparelhadas fica incorporado à montagem. Um erro de faceta ocorre na superfície plana (faceta) do agregado quando dois ladrilhos de DNA se fixam lado a lado numa frente de crescimento (faceta) e assim estabilizam a ligação um do outro. Isso é considerado erro porque a identidade desses ladrilhos pode não estar correta em relação à computação que está sendo realizada. Os erros de nucleação são semelhantes aos de faceta, pois vários ladrilhos se reúnem espontaneamente num agregado, estabilizando-se mutuamente por meio de NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 28

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) que descreve os mecanismos de supressão de erros na automontagem de DNA e classifica os erros de montagem em três tipos.

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UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFI@IAL l!ISI!!! er~t I Figure 12 (continued). (top a-e) The XOR Cellular Automaton and Its Implementation by Tile-Based Self-Assembly. (bottom a-e) AFM Images of Algorithmic Self-assembly of Sierpinski Triangle Crystals. In theory, this process allows scientists the ability to build a computer from nanoscale material with DNA tiles (95). The experimental success of this trial demonstrated that 2D algorithm ic self-assembly offers new capabilities for computation and construction, as well as a new range of physical phenomena and exper imental challenges as well. Error Suppression Mechanisms in DNA Self -Assembly Molecular self-assembly is an emerging technology that will ultimately enable the fabricat ion of great quant ities of complex nanoscale objects such as compute r circuits at very low costs. Because the DNA-tile-based bottom-up assembly technique relies on the logic of programming self-assembly, it requires a situation where sticky-end binding specificity is infallible. Realistically, however, correctness of matching between tiles cannot be guaranteed due to the thermodynamics and kinetics of DNA tile self-assembly. This process alone results in occasional erroneous assembly steps. The number of assembly errors increases with the number of tile types, and accruing errors render large scale complex computation practically infeasible. Assembly errors can be classified into three types: 1.) Growth errors. 2.) Facet errors. 3.) Nucleation errors. Growth and facet errors are the errors that occur on the growth front of an existing assembly, while nucleation errors deal with the spurious initiation of assembl ies. A growth error occurs when a DNA tile with one or more mismatched sticky ends is embedded in the assembly. A facet error occurs on the flat surface (facet) of the aggregate when two DNA tiles attach on a growth front (facet) side by side, and thus stabilize each other's binding . This is considered an error because the identity of these tiles may not be correct with respect to the computation being performed. Nucleation errors are similar to facet errors in that a number of tiles spontaneously assemble a cluster by stabilizing each other through UNCLASSIFIED/ /POI'.. orr1e1At l!ISE Qptkl{ 28

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TRECHO 30 · PÁGINA FÍSICA 30

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] ligação. Isso, então, dá origem a uma computação comum, porém sem sentido. Erros de crescimento, de faceta e de nucleação ocorrem todos por causa de ladrilhos que fazem apenas contatos fracos com a montagem (Figura 15). Esses ladrilhos errôneos precisam se soltar para que o crescimento correto prossiga. Uma abordagem consiste em projetar a rede de modo que cada ladrilho seja primeiro estabilizado pela chegada de outro ladrilho antes de se fixar no lugar. Uma análise anterior previu que as taxas de erro da montagem de ladrilhos podem ser reduzidas otimizando parâmetros físicos, como as concentrações de ladrilhos e a temperatura. Para suprimir os diferentes tipos de erro, vários métodos foram propostos com base na ideia de aumentar o tempo necessário para fixar ladrilhos montados erroneamente. Para minimizar os erros, vários métodos foram propostos. Infelizmente, alguns deles não conseguem suprimir eficazmente todos os tipos de erro. Por exemplo, o modelo de revisão de ladrilhos proposto primeiro por Winfree e Bekbolatov (96) pode corrigir erros de crescimento se um ladrilho incorreto se fixar na posição seguinte. Essa técnica de correção de erros usa redundância. Nesse método, cada ladrilho do sistema é substituído por quatro ladrilhos, dispostos num bloco de 2 x 2. O modelo de ladrilho compacto resiliente, proposto por Reif (97), procura reduzir o aumento de escala do padrão final produzido pela automontagem. Embora ambos os métodos sejam eficazes na redução de erros, limitam-se aos erros produzidos pelo crescimento. Já os modelos de supressão de erros Mecanismo de Ladrilho Protegido (PTM) e Mecanismo de Ladrilho em Camadas (LTM), propostos por Fujibayashi e Murata, conseguem suprimir os três tipos de erro ilustrados na Figura 15 (98)(99). O método funcional de supressão nesses modelos é o controle da hibridização das extremidades adesivas. Nesses mecanismos, a implementação dos ladrilhos de DNA é alterada pela introdução de um motivo estrutural, uma fita de proteção, e de ladrilhos de proteção (ver Figura 13 e Figura 14). Nessa técnica, a fita de proteção é um único oligômero que cobre o lado de entrada do ladrilho. Cada extremidade adesiva permanece descoberta e funciona como ponto de apoio ("toehold") para iniciar um processo de migração de ramificação que remove a fita de proteção. A combinação de um ladrilho com uma fita de proteção é chamada de "ladrilho protegido", ou simplesmente "ladrilho" quando o contexto deixa claro, e "ladrilho de fundação" designa o ladrilho de fundação desprotegido. Os lados de saída de todos os ladrilhos são desprotegidos, de modo que a frente de crescimento sempre exibe extremidades adesivas desprotegidas. Como se vê na Figura 13, os ladrilhos protegidos se associam à frente de crescimento primeiro pelas extremidades adesivas expostas de 3 nucleotídeos; depois, a migração de ramificação resulta no deslocamento da fita em cada um dos braços de entrada correspondentes; se ambos os braços corresponderem, a fita de proteção é totalmente deslocada e se dissocia. Na Figura 14, esse método passa por simulação de Monte Carlo para avaliar suas propriedades supressivas. Surpreendentemente, descobriu-se que os métodos de supressão PTM e LTM podem impedir erros de nucleação, além dos erros de crescimento e de faceta. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 29

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) sobre modelos de correção de erros (revisão, ladrilho compacto, PTM e LTM) na automontagem de ladrilhos de DNA; a eficácia citada vem de simulações de Monte Carlo.

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UNCLASSIFIED/ /FOA 8FFI€iIAL ttSI!! Brit I binding. This then seeds ordinary, but meaningless computation. Growth errors, facet errors, and nucleation errors all occur because of tiles that make only weak contacts with the assembly (Figure 15). These erroneous tiles must fall off in order for correct growth to proceed. One approach is to design the lattice such that each tile is first stabil ized by the arrival of another tile before it secures itself in place. Prior analys is predicted that the error rates of tile assembly can be reduced by optim izing physical parameters such as tile concentrations and temperature. In order to suppress different types of errors, several methods have been proposed based on the idea of increasing the amount of time required to lock in erroneously assembled tiles. In order to min imize the errors, several methods have been proposed. Unfortunately, some of these methods cannot effectively suppress all types of errors. For example, the tile proof reading model first proposed by Winfree and Bekbolatov (96) can correct errors in growth if an incorrect tile attaches in the next position. This error correction technique uses redundancy to correct errors . In this method, each tile is replaced in the system with four tiles, arranged in a 2 X 2 block. The compact resilient tile model as proposed by Reif (97) attempts to reduce the increase in scale of the final pattern produced by self-assembly. While both of these methods are effective in reducing errors, they are only lim ited to those errors produced by growth. However, the error suppression models Protected Tile Mechanism (PTM) and Layered Tile Mechanism (LTM) proposed by Fujibayashi and Murata can suppress all three error types illustrated in Figure 15. (98)(99). The functional method of suppression in these models is the control of sticky end hybridization. In these mechanisms the implementation of the DNA tiles is altered by the introduction of a structural motif protection strand and protection tiles (see Figure 13 and Figure 14 ). In this technique, the protect ion strand is a single oligomer that covers the input side of the tile. Each sticky end remains uncovered and it works as the toehold for initiating a branch migration process that removes the protection strand . The combination of a tile and a protection strand is called a "protected tile," or just "tile" when it is clear from context, and "foundation tile" refers to the unprotected foundation tile. The output sides of all t iles are unprotected, thus the growth front always displays unprotected sticky ends. As seen in Figure 13 the protected tiles associate to the growth front by the exposed 3-nt sticky ends first, then branch migration results in strand displacement on each of the matching input arms; if both arms are matched, the protection strand is completely displaced, and it dissociates. In Figure 14, this method undergoes Monte Carlo simulation to evaluate its suppressive properties. Surprisingly, it was discovered that the PTM and LTM suppression methods can prevent nucleation errors as well as growth and facet errors . UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL ttSf 8Ptk¥ 29

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] [diagrama: saída; entradas; fita de proteção; fita de iniciação (rótulo em parte ilegível)] Figura 13. Supressão de erros com o método PTM. [imagens das simulações de crescimento] Figura 14. Resultados de simulação do crescimento (A) no OTM, (B) no PTM e (C) no LTM. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 30

Nota editorial: Página de figuras do estudo da DIA (2010): esquema da supressão de erros com ladrilho protegido (PTM) e simulações comparando OTM, PTM e LTM.

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UNCLASSIFIED/ /EOA QFFl&Il.l l::181!! 8HtY Outpu ~ t ~~~ u 11 if ~ lnpuis u u Xf'loolctlon slrand Figure 13. Error Suppression with the PTM Method . f' a Figure 14. Simulation results of growth in (A) the OTM, (B) the PTM, and (C) the LTM. UNCLASSIFIED// FOR OPFICIAL l::181!! 8Ptllf 30

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TRECHO 32 · PÁGINA FÍSICA 32

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] [diagramas (a), (b), (c): desemparelhado; faceta; nucleação] Figura 15. Três tipos de erro na automontagem de ladrilhos de DNA: (a) erro de crescimento; (b) erro de faceta; (c) erro de nucleação. As linhas vermelhas indicam os lados desemparelhados. Automontagem com dispositivos microfluídicos baseados em DNA Até aqui exploramos a computação com DNA por métodos baseados em hibridizações de moléculas lineares de DNA (100) e em "ladrilhos de DNA" com quatro "extremidades adesivas" (101). Embora se tenha comprovado experimentalmente que os ladrilhos de DNA têm poder computacional muito maior que as fitas lineares de DNA (102)(103), a supressão dos erros de montagem é o problema central da nanotecnologia baseada em ladrilhos de DNA. Mesmo que vários métodos de redução de erros tenham sido propostos até agora, muitos deles consideram apenas o projeto dos conjuntos de ladrilhos (104). Tradicionalmente, o resultado é um conjunto de ladrilhos complicado, e essas abordagens raramente são implementadas. Para superar essas limitações, pesquisadores em Tóquio criaram um dispositivo microfluídico projetado especialmente para a montagem de ladrilhos de DNA (105). Os métodos tradicionais de montagem de ladrilhos de DNA exigem que todos os ladrilhos sejam misturados num único tubo de ensaio, recozidos para a automontagem, e que a mistura seja então gotejada sobre uma superfície de mica para observação por AFM. Como todos os tipos de ladrilhos são montados num só recipiente, os conjuntos de ladrilhos de DNA precisam ser projetados com muito cuidado, de modo que cada extremidade adesiva tenha especificidade e força de ligação apropriadas para obter a estrutura desejada. Na prática, é muito difícil manter as concentrações de cada ladrilho monomérico na automontagem em recipiente único. Além disso, o processo de montagem é fortemente afetado pela concentração dos ladrilhos de DNA e pela temperatura da solução aquosa. Com o automontador microfluídico de ladrilhos de DNA, uma série de processos de montagem em etapas é incorporada à construção da rede de ladrilhos. No dispositivo microfluídico, redes de DNA pré-montadas são ancoradas no canal microfluídico para iniciar o crescimento dos ladrilhos pelas seguintes etapas: 1) fitas simples de DNA são imobilizadas na superfície de uma câmara de reação. Isso fornece andaimes para iniciar o processo de automontagem e, ao mesmo tempo, ancora a estrutura montada contra o fluxo. 2) Ladrilhos monoméricos de DNA são fornecidos por fluxo no microcanal. Uma NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 31

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) com a figura 15 (três tipos de erro de montagem) e o início da seção sobre dispositivos microfluídicos para montar ladrilhos de DNA.

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UNCLASSIFIED/ /P91t 9PPl@IAL l:ISIE 8HLY (a) Mismatched ~ Facet c ) ~OOm ~'::eRW 1y Figure 15. Three Types of Error in DNA Tile Self-assembly (a) Growth error (b) Facet error (c) Nucleation error. Red lines indicate the mismatched sides. Self-assembly with DNA-based Microfluidic Devices Thus far we have explored DNA computing through methods based on linear DNA molecule hybrid izations (100) and "DNA tiles" with four "sticky ends"(101) . While it has been proven experimentally that DNA tiles have much stronger computational power compared to linear DNA strands (102)(103), the suppression of assembly errors is the central problem of the DNA-tile-based nanotechnology. Even though several error reduction methods have been proposed thus far, many of them only consider the design of DNA tile sets. (104) Traditionally, the result is a complicated tile set and these approaches are rarely implemented. To overcome these restraints, researchers in Tokyo devised a microfluidic device specially designed for DNA tile assembly ( 105). Traditional DNA Tile assembly methods require that all the DNA tiles are mixed in a single test tube, annealed for self-assembly, and then the mixture is dropped on a mica surface for AFM observation. Since all kinds of tiles are assembled in one pot, DNA tile sets must be very carefully designed such that each sticky end has an appropriate bonding specificity and strength to obta in desired structure. In practice, it is very diff icult to keep concentrations of each monomer tile in one-pot self-assembly. Additionally, the assembly process is strong ly affected by the concentration of the DNA tile and the temperature of the water solution. With the microfluid ic DNA tile self-assembler, a series of stepwise assembly processes are incorporated into construct ion of the tile lattice . In the microfluid ic device, pre-assembled DNA lattices are anchored on the microfluidic channel to initiate tile growth through the following steps: 1) Single-strand DNAs are immobilized on the surface of a reaction chamber. This provides scaffolds to initiate the self-assembly process, while anchoring the assembled structure against the flow. 2) Monomer DNA tiles are supplied by flow in the microchannel. A UNCLASSIFIED/ lfQR OEEICIAk WSIE 9Htt 31

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TRECHO 33 · PÁGINA FÍSICA 33

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] concentração constante ao redor do cristal pode ser facilmente obtida por um fluxo constante. Esse trabalho pioneiro em tecnologia de síntese de DNA abriu a porta para várias aplicações em engenharia genética e na tecnologia de laboratório em um chip (107)(108)(109). Esse tipo de automontagem controlada melhorará drasticamente o tamanho e o rendimento de nanoestruturas sem erros. Também é possível produzir as nanoestruturas desejadas sobre um molde padronizado na câmara de reação, para diversas aplicações. [diagrama: placa de vidro; óleo] Figura 16. Dispositivo microfluídico para automontagem de ladrilhos de DNA. Origami de DNA A ideia de manter domínios helicoidais em arranjo paralelo por meio da justaposição de cruzamentos antiparalelos tornou-se um princípio geral da nanotecnologia de DNA, usado em pelo menos uma dúzia de construções. Por exemplo, foi estendida a moléculas com três hélices paralelas (110) e usada para fixar rigidamente triângulos a um dispositivo nanomecânico (111). Contudo, essas técnicas não criam uma molécula generalizada de múltiplos cruzamentos com hélices paralelas, pela impossibilidade de tornar exatamente iguais as proporções das fitas curtas componentes. O origami de fita simples, como o octaedro de William Shih (113), não pode, por definição, sofrer desse problema. O origami com andaime contorna o problema de igualar as proporções das fitas ao permitir o uso de um excesso de auxiliares. Desde que cada fita-andaime receba um de cada auxiliar, todos os andaimes podem dobrar-se corretamente (alguns podem ficar presos em dobras erradas). Como os origamis se distinguem facilmente dos auxiliares, separá-los não é difícil (por exemplo, origamis grandes aderem muito mais fortemente às superfícies de mica do que os pequenos auxiliares, e assim o excesso de auxiliares pode ser lavado). O origami de fita simples e o origami com andaime parecem, portanto, os melhores candidatos para a criação de estruturas grandes e complexas. Como observou Shih, a geometria usada no octaedro deve generalizar-se e permitir a criação de redes poligonais arbitrárias. A generalização da geometria helicoidal paralela introduzida pelas moléculas de duplo cruzamento é simples com o origami de DNA com andaime; Ruthemond demonstrou recentemente a técnica para a criação de seis formas arbitrárias e seis padrões arbitrários (incluindo o mostrado aqui); o método de projeto e os experimentos que mostram sua generalidade são descritos em (114). Para ter uma noção do método, veja a Figura 18. As formas são aproximadas dispondo uma série de domínios helicoidais paralelos dentro da forma (Figura 18a). As hélices são cortadas para caber na forma, em uma série de pares sequenciais de cima para baixo, de modo que NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 32

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) com a figura 16 (dispositivo microfluídico) e o início da seção sobre origami de DNA.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OSSICIAl WSE 8Ht'I" constant concentration around the crystal can easily be realized by a constant flow. This ground-breaking work in DNA synthesis technology has opened the door for several applications in genetic engineering and lab on a chip technology (107)(108)(109). This kind of controlled self-assembly will drastically improve the size and yield of errorless nano structure. It is also possible to produce desired nano structures on a patterned template in the react ion chamber for various applicat ions. Glass plate 011 Figure 16. Micro-fluidic device for DNA tile self-assembly . DNA Origami The idea of holding helical domains in a parallel arrangement via the juxtaposition of antiparallel crossovers has become a general principle in DNA nanotechnology, used in at least a dozen constructions . For example, it has been extended to molecules with three parallel helixes (110) and it has been used to attach triangles rigidly to a nanomechanical device. (111) However, these techniques do not create a generalized multi-crossover molecule with parallel helices due to the inability to have the ratio of the component short strands exactly equal. Single -stranded origam i such as William Shih's octahedron (113) cannot, by definition, suffer from this problem. Scaffolded origami sidesteps the problem of equalizing strand ratios by allowing an excess of helpers to be used. As long as each scaffold strand gets one of each helper, all scaffolds may fold correctly (some might get trapped in misfolding). Because origami are easily differentiable from the helpers, separating them is not difficult (e.g. large origami stick much more strongly to mica surfaces than do tiny helpers and so excess helpers can be washed away). Single-stranded origami and scaffolded origami thus seem the best candidates for the creation of large complex structures. As Shih has observed, the geometry used for the octahedron should generalize and allow the creation of arbitrary polygonal networks. Generalization of the parallel helical geometry int roduced by double­ crossover molecules is simple using scaffolded DNA origami; Ruthemond has recently demonstrated the technique for the creation of six arbitrary shapes and six arbitrary patterns (inc luding the one shown here); the design method and experiments showing its generality are described in (114). To get a feeling for the method, look at Figure 18. Shapes are approximated by laying down a series of parallel helical domains inside of the shape (Figure 18a). Helices are cut to fit the shape, in a series of sequential pairs from top to bottom, so UNCLASSIFIED// FOR OPPICIJ!tt tJ!JE 8Hllf 32

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TRECHO 34 · PÁGINA FÍSICA 34

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] a geometria resultante aproxima a forma com precisão de uma volta de DNA (cerca de 3,6 nm) na direção x e de duas larguras de hélice (cerca de 6 nm, incluindo um espaço entre hélices) na direção y. Para elaborar um projeto molecular, um andaime percorre exatamente uma vez cada hélice; feito em preenchimento por varredura, isso cria um "caminho de dobragem" (Figura 18b). Para manter o andaime nessa forma, fitas auxiliares são adicionadas para criar um padrão regular de cruzamentos antiparalelos (Figura 18c). A Figura 19 ilustra a versatilidade do origami de DNA programado por forma, com rendimento elevado, superior a 70%. Cada forma vista na Figura 19 usa andaimes de 7000 bases de comprimento, exigindo mais de 200 fitas de DNA, para um peso molecular final de 15.000 nucleotídeos. Assim, a estrutura de origami de DNA tem peso molecular 100 vezes o do modelo DX original e construção geométrica quase 6 vezes maior, e 50 bilhões de cópias do padrão são criadas de uma só vez. Com essa técnica, foi criado um dispositivo com o peso molecular do componente das células que sintetiza proteínas e aminoácidos: o ribossomo. Pela primeira vez, somos capazes de automontar estruturas cujo tamanho e complexidade rivalizam com as máquinas automontadas mais complexas da Natureza. [diagramas A e B] Figura 17. (A) Diagrama esquemático de um sintetizador microfluídico de DNA de 16 colunas. As linhas de controle aparecem em vermelho, as linhas fluídicas em azul, os misturadores em espinha de peixe em amarelo, e a árvore binária de perfil quadrado e as colunas de reação em verde. (B) Esquema ampliado do arranjo de colunas (106). [rótulos do diagrama: Reagente; Controlador; Espinha de peixe; Árvore binária; Arranjo de colunas] NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 33

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) sobre o desenho de origami de DNA e a figura 17 (sintetizador microfluídico de DNA de 16 colunas).

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL U.!I! 8Ht¥ that the resulting geometry approximates the shape within one DNA turn ( ~ 3.6 nm) in the x-direction and two helical widths(~ 6 nm, including an inter-helix gap) in they-d irection. To make a molecular design, a scaffold is run exactly once through each helix; performed in a raster-fill manner, this creates a 'fold ing path' (Figure 18b). To hold the scaffold in this shape, helper strands are added to create a regular pattern of antiparallel crossovers (Figure 18c). Figure 19 illustrates the versatility of shapes-programmed DNA origami with a high yield in excess of 70%. Each shape seen in Figure 19 uses 7000-base long scaffolds requiring more than 200 DNA strands for a final molecular weight of 15,000 nucleotides. Thus, the DNA origami structure has a molecular weight that is l00X that of the original DX model and nearly 6X larger in geometric construction where 50 billion copies of the pattern are created at once. With this technique, a device has been created that has a molecular weight of the component of cells that can synthes ize proteins and amino acids- the ribosome. For the first time, we are now capable of self-assembling structures whose size and complexity rival that of Nature's most complex self assembled machines. A B 1 1 11 1 1 ~ - ~'t'fl\tt - JfflV,Jw Reagen! Controller Herringbone Binary Tree Column Array "'d!Yld..ily □ lnldvAM•""'"'"""' - -­ Figure 17. (A) Schematic diagram of a 16-column microfluidic DNA synthesizer. The control lines are shown in red, the fluidic lines in blue, the herringbone mixers in yellow, and the square profiled binary tree and reactor columns in green. (8) Close up schematic of the column array (106). UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICil.t.k W&E 8HL1/ 33

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TRECHO 35 · PÁGINA FÍSICA 35

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[Figura 18, painéis a-d: (a) preencher a forma com hélices; as hélices periódicas aproximam a forma com precisão de uma única volta; (b) preencher as hélices por varredura com uma fita-andaime; costura; uma fita longa e única; (c) adicionar fitas auxiliares para unir o andaime; arranjo de cruzamentos; uma volta helicoidal: 10,6 bases, 3,63 nm; espaço entre hélices de 1 nm; 32 bases: 3 voltas; (d) representação helicoidal da estrutura; rótulo de grampo; sem tensão / com tensão: +1, 0, -1 (diagramas de bases, em parte ilegíveis)] NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Figura 18. Projeto de origami de DNA. (112) Figura 19. Vários caminhos de dobragem de origami de DNA. (112) NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 34

Nota editorial: Página de figuras do estudo da DIA (2010): projeto do origami de DNA (figura 18) e caminhos de dobragem de várias formas (figura 19).

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a Fi ll th hape with helices and periodic I \ hefloes approXll!lale shape to with n a '( a single tum b Raster fill helices with a ffold strand. arra of cro sovers. 1 helical tum: ~ . 1'id - 1nm lnlar-hellx gap y 10.6 bases, 3.63 run 32 bases : 3 turns X A ingle long Q Q 0 ffi - - UNCLASSIFIED/ /EOA QFFI@IAL U.!E Gilli seam C dAdd helper strands to bind the scaffold together. A helical representation of the structure. 2 2 I hairpin label unstrained: slrailed: +1 . p 1i'l -1 ~ ~ 0 5 E 5 E ,._ 0 11111111 1u1•1t HIIIIII HIPIII 11111111 n11u11 ltnDII UII II ::J C: ::i .:J C ,un111 11111 11 1 IIIUU ~ ll fllllN """.. JHIIUI c 5 c ::j E ::J IMIUI 11111111 IUIIUl 111111111 11111 111 tlltll ll 1111111 , fflrtll l C :Sc ~ 11111111 11NIUI 1111•11 1111 1111 UIII IIUIIU 11111 111 11111111 ::J C ::J C :::J 1111111 MUii llltll " 01111 111 l lli! III 1111\lfl f\lllU 11111 11 ::J C: ::i C .:::J C lll11111 l .. jllll flll l~I lllltli l 11 0111 10( ... !!il!!}J. ~ llU!!!J, Figure 18. Des ign of DNA origami. (112) -1 '" ....'" 5 E 1111 ,111 11111111 b ■ .. . Figure 19. Several DNA origam i fold ing paths. (112) UNCLASSIFIED//FOA 0FFI€IAk Wlii &Nk¥ 34

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TRECHO 36 · PÁGINA FÍSICA 36

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Engenharia de portas lógicas baseadas em DNA Este ramo da nanotecnologia emprega a enzimologia do DNA para induzir, em solução, um comportamento molecular que responda a uma entrada adequada de ácido nucleico. O objetivo é fazer portas lógicas confiáveis baseadas em DNA, que possam ser usadas para montar circuitos lógicos complicados e, por sua vez, controlar dispositivos moleculares complexos (115). A rigor, as abordagens silicomiméticas em fase de solução não estão ligadas à nanotecnologia tradicional do DNA nem ao modelo de computação com DNA de Adleman (116). Há, porém, alguma sobreposição de conceitos, e todas essas abordagens podem ser integradas para obter comportamentos funcionais complexos. Há dois requisitos principais que um dispositivo lógico baseado em DNA precisa cumprir: primeiro, o dispositivo deve ser capaz de integrar a presença ou ausência de várias entradas em uma única saída. Segundo, o dispositivo deve ser projetado de modo que um número limitado de dispositivos simples possa ser combinado em uma variedade de circuitos complexos. Isso normalmente significa que um dispositivo pode se comunicar com outros componentes por algum tipo de transferência de informação. Além disso, interessam-nos dispositivos que possam se comunicar com sensores e produzir saídas para dispositivos terapêuticos e de diagnóstico autônomos, porque podem um dia funcionar como sistemas especialistas sem silício. As portas lógicas baseadas em DNA destinam-se a funcionar como portas lógicas binárias tradicionais, que transformam 1s e 0s de entrada em 1s e 0s de saída, e que formam as unidades centrais de processamento dos computadores digitais. Recentemente, Seeman e colegas da Universidade de Nova York descobriram uma maneira engenhosa de induzir fitas de DNA a imitar portas lógicas OU exclusivo (XOR) (117). No caso de uma porta XOR, a regra é simples: quando os mesmos dois dígitos entram na porta, sai um 0; dois dígitos diferentes devolvem um 1. Nesse mais recente caso de computação com DNA, as entradas são substituídas por moléculas de fita simples, e o modo como elas se ligam entre si, de base a base, determina as operações. Em essência, o conjunto de moléculas de entrada utilizado estabelece o problema; feito isso, a resposta se automonta em uma única etapa. O objetivo de curto prazo é construir módulos de computação baseados em DNA e desenvolver máquinas nanoscópicas que possam existir em organismos vivos, detectando condições e tomando decisões com base no que detectam, e então respondendo com ações como liberar medicamento ou matar células específicas. Operação lógica por deoxirribozimas Esta abordagem de biocomputação baseia-se em duas bibliotecas de ácidos nucleicos: uma formada por uma deoxirribozima modificada alostericamente (catalisadores de ácido nucleico feitos de DNA) e a segunda, por seus substratos. Uma DNAzima está associada apenas à replicação gênica, e elas existem somente em laboratório. Ainda assim, são ferramentas muito poderosas para construir nanossistemas baseados em DNA. As funções dessas unidades moleculares são essenciais para as portas lógicas moleculares e para a integração perfeita em dispositivos de computação baseados em DNA. Essas construções são capazes de realizar operações aritméticas simples (118) e têm a capacidade de dispor várias portas em torno de um substrato comum (119). Esses dispositivos têm oligonucleotídeos (DNA de fita simples curto) como entradas e como saídas. As deoxirribozimas fosfodiesterases clivam outros oligonucleotídeos, produzindo fitas mais curtas como saídas. Por exemplo, a operação dos sensores mais simples é ilustrada na Figura 20. A haste-alça (stem-loop) da molécula YESx inibe o módulo catalítico por meio da sobreposição da haste com a região de reconhecimento do substrato. A hibridização de ix com a alça complementar abre a haste para que a ligação do substrato prossiga. A porta YESx comporta-se como um interruptor de dois estados, com o estado ativo na presença da entrada. A combinação desses sensores de entrada para a lógica de portas é ilustrada na Figura 21. As abordagens generalizadas têm portas de três entradas (incluindo as portas NOT, AND, ANDNOT, ANDANDNOT) baseadas na lógica das deoxirribozimas (121). Essas portas são genéricas e modulares, no sentido de que outras deoxirribozimas poderiam ser NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 35

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) sobre portas lógicas baseadas em DNA e operação lógica por deoxirribozimas; as aplicações terapêuticas citadas são metas, não realizações.

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UNCLASSIFIED/ /POK: OPPICllcL l:191!!! OHL'/ Engineering DNA-Based Logic Gates This branch of nanotechnology employs DNA enzymology to induce molecular behavior in solution that responds to an appropriate nucleic acid input. The goal is to make reliable DNA­ based logic gates that can be used to assemble complicated logic circuits, which, in turn, can be used to control complex molecular devices (115). Strictly speaking the silicomimetic solution-phase approaches are not connected to traditional DNA nanotechnology, or Adleman's model of DNA computing (116). However, there is some overlap of concepts, and all these approaches can be integrated in order to achieve complex functional behaviors. There are two primary requirements that a DNA-based logical device has to fulfill: first, the device should have the ability to integrate the presence or absence of several inputs into a single output. Second, a device has to be designed in such a way that a limited number of simple devices can be combined into a variety of complex circuitries. This usually means that one device can communicate with other components through some kind of information transfer. Furthermore, devices that could communicate with sensors, and produce outputs for autonomous therapeutic and diagnostic devices are of our interest, because they may one day function as silicon-free expert systems. DNA-based logic gates are intended to perform as traditional binary logic gates, which turn 1 's and O's of input into 1's and O's of output, which form the central processing units in digital computers. Recently, Seeman and colleagues at New York University have found a clever new way to tease DNA strands into mimicking exclusive OR (XOR) logic gates ( 117). In the case of an XOR gate, the rule is simple: when the same two digits enter the gate, a 0 comes out; two different entering digits return a 1. In this latest case of DNA computing, inputs are replaced by single-stranded molecules, and how they bind with each other--base pair to base pair--dictates the operations. In essence, the collection of input molecules that are used set up the problem; once that's done, the answer self-assembles in a single step. The near term goal is to build DNA-based computing modules and to develop nanoscopic machines that could exist in living organisms, sensing conditions and making decisions based on what they sense, then responding with actions such as releasing medicine or killing specific cells. Logic Operation by Deoxyribozymes This biocomputing approach is based on two libraries of nucleic acids, one consisting of an allosterically modified deoxyribozyme (nucleic acid catalysts made of DNA) and the second, its substrates. A DNAzyme is associated with gene replication only, and they exist only in the laboratory. Nevertheless, they are very powerful tools for building DNA-based nanosystems. The functions of these molecular units are essential for molecular logic gates and the seamless integration into DNA-based computing devices. These constructs are capable of carrying out simple arithmetic operations ( 118) and have the capability to arrange several gates around a common substrate. (119) These devices have oligonucleotides (short ssDNA) as both inputs and outputs. Phosphodieseterase deoxyribozymes cleave other oligonucleotides, producing shorter strands as outputs. For example, operation of the simplest sensors is illustrated in Figure 20. The stem-loop of YESx molecule inhibits the catalytic module through the overlap of the stem with the substrate recognition region. Hybridization of ix to the complementary loop opens the stem to allow substrate binding to proceed. The YESx gate behaves as a two-state switch, with the active state in the presence of input. The combination of these sensors for input to gate logic is illustrated in Figure 21. Generalized approaches have three-input gates (including NOT, AND, ANDNOT, ANDANDNOT gates) based on the deoxyribozyme logic. (121) These gates are generic and modular, in the sense that other deoxyribozymes could be UNCLASSIFIED// FOR OPPICilcL tl:!I!! 8HLY 35

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TRECHO 37 · PÁGINA FÍSICA 37

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] combinadas em paralelo em construções semelhantes, com a expectativa de comportamento semelhante. Isso significa que, em princípio, podemos construir redes enzimáticas que realizem cálculos booleanos de qualquer complexidade. No momento, as ligações em série são proibitivamente lentas para serem usadas em dispositivos práticos; por isso, os circuitos relatados limitam-se à conectividade OR implícita entre os elementos individuais. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 36

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) que conclui a descrição das portas de deoxirribozima e registra que as ligações em série são lentas demais para uso prático.

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UNCLASSIFIED//fQq OFFI&il.t.k WSE 8Ht'I" combined in parallel into similar constructs, with the expectation of similar behavior. That means, in principle, we can construct enzymat ic networks that perform Boolean calculat ions of any complexity. At this moment, serial connections are prohibitively slow to be used in practical devices, thus reported circuits are lim ited to implic it OR connectivity between individual elements. UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL U:!E eutv 36

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TRECHO 38 · PÁGINA FÍSICA 38

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Figura 20. Projeto funcional de uma porta lógica baseada em DNA. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 37

Nota editorial: Página de figura do estudo da DIA (2010): projeto funcional de uma porta lógica baseada em DNA.

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UNCLASSIFIED/ {FOR CFEICl.t.k l481!! er•tt Figure 20. Functional design of a DNA based logic gate . UNCLASSIFIED/ /POft. OPPl@IAL l48i &PU,¥ 37

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TRECHO 39 · PÁGINA FÍSICA 39

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Figura 21. Representação simplificada de uma porta lógica de DNA. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 38

Nota editorial: Página de figura do estudo da DIA (2010): representação simplificada de portas lógicas de DNA.

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UNCLASSIFIED/) FOR OFFICIAL l:ISE 8PUs:¥ Figure 21. Simplistic rendering of a DNA logic gate . UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL l:ISE 8PU,¥ 38

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TRECHO 40 · PÁGINA FÍSICA 40

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Autômatos booleanos baseados em deoxirribozimas As portas lógicas de deoxirribozima foram aplicadas à construção dos primeiros autômatos booleanos baseados em DNA capazes de responder autonomamente a entradas humanas: os "MAYAs" são autômatos que jogam jogo da velha contra um jogador humano. No jogo da velha há no máximo 4 jogadas do jogador humano quando o MAYA faz a primeira jogada. O autômato MAYA inicial jogava uma versão simplificada, sempre ocupando primeiro o centro, e a primeira jogada humana era restringida por simetria a uma jogada de canto ou de lado. Essas simplificações levaram a uma representação do jogo como uma série de fórmulas booleanas que calculam a saída do autômato em cada poço, com base nas entradas humanas presentes em todos os poços. Essas fórmulas foram mapeadas em 23 portas lógicas baseadas em deoxirribozima, dispondo-se as portas nos poços individuais em torno de um substrato comum. Esses autômatos "cabeados" não dão ao humano nenhuma chance de vencer (Figura 22, Figura 23) (120, 122). Portas lógicas de deoxirribozima de uma, duas e três entradas são moduladas alostericamente por 32 oligonucleotídeos de entrada operados por humanos: 97 portas lógicas distribuídas em 9 poços calculam as jogadas do autômato, e 32 portas (em caixa) exibem as jogadas humanas por meio de um sistema de saída fluorogênica de duas cores. Embora esse mecanismo seja simplista por natureza, realizou cálculos booleanos sem falhas. [tabela-verdade ilegível; colunas de 0 e 1] Figura 22. Estruturas básicas de porta, derivadas da deoxirribozima E6 regulada alostericamente, para jogar o jogo da velha contra um oponente humano. As tabelas-verdade construídas são suficientes para garantir que o jogador humano não possa vencer o jogo. (120) NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 39

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) sobre os autômatos MAYA, baseados em deoxirribozimas, que jogam jogo da velha contra um humano.

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UNCLASSIFIED/ /FAA: QFFI&il.t.k YSIE 8HtY Deoxyribozyme-based Boolean Automata The deoxyribozyme logic gates were applied to the construction of the first DNA-based Boolean automata capable of autonomously responding to human inputs: "MAYAs" are automata playing a game of tic-tac-toe against a human player. In tic-tac-toe there are a maximum of 4 moves by the human player when MAYA has the first move. The initial MAYA automaton played a simplified game, always claiming the center first, and the first human move is symmetry-restricted to one corner or one side move. These simplifications led to a representation of the game as a series of Boolean formulae that compute the automaton's output in each well, based on the human inputs present in all wells. These formulae were mapped to 23 deoxyribozyme-based logic gates by arranging gates in the individual wells around a common substrate. These "hard-wired" automata give the human no chance to win (Figure 22, Figure 23). (120, 122) One, two and three input deoxyribozyme-based logic gates are allosterically modulated by 32 human-operated input oligonucleotides: 97 logic gates distributed across 9 wells which calculate automaton moves, and 32 gates (boxed) display human moves by implementation of a two-color fluorogenic output system. Even though this mechanism is simplistic in nature, it has performed flawless Boolean calculations. rA-T--A-"f-C.--A-C-t:--F d It i:, ;, 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 , 0 0 , , 0 I 0 0 1 0 1 0 1 0 0 I 1 0 1 1 1 0 Figure 22. Basic gate structures, derived from allosterically regulated deoxyribozyme E6, for playing tic-tac­ toe against a human opponent. The truth tables constructed are sufficient to ensure the human player cannot win the game. (120) UNCLASSIFIED//EAA: QFFiliCiliOI. l'ii QPII.¥ 39

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TRECHO 41 · PÁGINA FÍSICA 41

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Figura 23. Circuito lógico baseado em DNA de primeira geração (MAYA I) que joga o jogo da velha. Bases robóticas (o robô de DNA) Até aqui foram ilustradas várias estruturas que podem ser construídas por abordagens baseadas em DNA, e tais componentes podem ser combinados em sistemas ainda mais complexos em escala nanométrica. Como exemplo da integração de diferentes componentes de DNA, apresentamos aqui uma abordagem que acabará levando ao projeto de "robôs" de DNA. Para fazer tais robôs, devemos integrar três funções moleculares, até agora separadas, seja na própria molécula, seja nas interações entre a molécula e o ambiente que ela percorre. Essas três funções são sensoriamento, processamento de informação e movimento. Em princípio, o DNA nos fornece todas essas funções, e deveríamos poder construir unidades funcionais que pudessem ser justificadamente chamadas de robôs moleculares feitos unicamente de ácidos nucleicos. Esperamos que os robôs de DNA nos permitam abordar, em escala molecular, as questões importantes do campo da robótica "comum", como evolução, aprendizado, interação entre vários robôs, autorreplicação e autorreparo. Dispositivos de sensoriamento são necessários para extrair informação do ambiente, como a existência de uma espécie molecular específica na solução e a forma e as propriedades da NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 40

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) com a figura 23 (circuito MAYA I) e a introdução ao conceito de robô de DNA.

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UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICiltL tJ!lf! 8HL¥ Figure 23. First Generation (MAYA I} DNA-based Logic Circuit that plays tic-tac-toe . Robotic Bases (The DNA Robot) Illustrated thus far are various structures that can be built by DNA-based approaches, and such components can be combined into even more complex systems at a nanoscale. As an example of the integration of different DNA components, we present here an approach that that will eventually lead to the design of DNA "robots." In order to make such robots, we must integrate three, up to now separate, molecular functions into either the molecule itself, or into the interactions between the molecule and the environment it traverses. These three functions are sensing, informati on processing, and movement. In principle, DNA provides us with all these functions, and we should be able to build functional units that could be jus t ifiab ly called molecular robots solely out of nucleic acids. We hope that DNA robots will enable us to approach on a molecular scale, the important issues in the field of 'ordinary' robotics such as; evolution, learning, multi-robot inte raction, self-replications, and self-repair. Sensing devices are necessary to extract information from the environment such as existence of a specific molecular species in the solution and shape and properties of the UNCLASSIFIED//EAR OfiFI&ilAL Y!II!!! 8fltt 40

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TRECHO 42 · PÁGINA FÍSICA 42

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] paisagem percorrida pelas moléculas. A capacidade de computação também é necessária para analisar esses dados e, em muitas aplicações, algumas unidades de processamento rudimentares, como as redes de portas lógicas mostradas na seção anterior, bastariam para obter funcionalidades úteis. Para demonstrar essas capacidades, uma equipe de cientistas da Universidade Columbia, da Universidade Estadual do Arizona, da Universidade de Michigan e do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) (123) programou um "robô" molecular autônomo feito de DNA para iniciar, mover-se, virar e parar enquanto segue uma trilha de DNA. Esse desenvolvimento pode levar, no fim, a sistemas moleculares que um dia talvez sejam usados em dispositivos terapêuticos médicos e em robôs reconfiguráveis em escala molecular, robôs feitos de muitas unidades simples que podem se reposicionar ou até se reconstruir para realizar tarefas diferentes. Os pesquisadores construíram uma trilha de "migalhas de pão" moleculares sobre a trilha de origami de DNA, estendendo moléculas adicionais de DNA de fita simples, ou oligonucleotídeos, a partir das extremidades dos grampos. Elas representam as indicações que dizem aos robôs moleculares o que fazer (iniciar, andar, virar à esquerda, virar à direita ou parar, por exemplo), semelhantes aos comandos dados a robôs tradicionais. Discutiremos o "nano-caminhante" com mais detalhe numa seção posterior deste tratado. É essa terceira função, o movimento controlado de moléculas com o auxílio de nanomotores, que será discutida a seguir. Nanomotores de DNA Motores de tamanho molecular evoluíram na natureza, onde são usados em praticamente todo processo biológico importante. Em contraste, o desenvolvimento de nanomotores sintéticos que imitem a função desses sistemas naturais surpreendentes e que possam ser usados em nanodispositivos feitos pelo homem está na infância. Construir motores em escala nanométrica não é apenas um exercício de reduzir o projeto de uma máquina do macromundo às dimensões nanométricas. Muitos fatores, como atrito, dissipação de calor e muitos outros comportamentos mecânicos, são muito diferentes nessa escala: tudo está em constante movimento (sob a energia cinética fornecida pelo calor do entorno) e é sacudido por outros átomos e moléculas (movimento browniano). O conceito de um nanomotor de uma única molécula de DNA já havia sido introduzido no início de 2002 (124). Os nanomotores de DNA são dispositivos bioquímicos sintéticos cujo movimento pode ser controlado em escala molecular. Os motores moleculares de DNA serão partes indispensáveis para a construção de robôs moleculares. O movimento de um robô deveria ser bem controlado por meio de alguma entrada molecular, ou ser conduzido autonomamente por indicações do ambiente. As primeiras abordagens para codificar movimento molecular em estruturas de DNA basearam-se em mudanças conformacionais reversíveis e sensíveis à entrada. Por exemplo, o primeiro uso relatado de um motor de DNA foi um dispositivo nanomecânico que gerava movimento de torção ao longo do eixo da hélice, com base em uma transição B-Z controlada pela força iônica de uma solução (125). Depois, as primeiras pinças moleculares foram acionadas por migrações de ramificação reversíveis sucessivas de fitas de DNA, chamadas "combustível" e "anticombustível" (126). O nível seguinte de complexidade foi o dos caminhantes "controlados remotamente", introduzidos por Seeman e Pierce, pois se baseavam em uma série de mudanças conformacionais sucessivas e unidirecionais, conduzidas por deslocamento de fita. Essas mudanças conformacionais sequenciais eram análogos microscópicos de comandos macroscópicos como "levantar a primeira perna", "baixar a primeira perna para a próxima posição disponível", "levantar a segunda perna", "baixar a segunda perna para a próxima posição disponível", com o resultado cumulativo de um movimento de translação de uma molécula ao longo de uma trilha. Uma desvantagem desses sistemas era que não eram autônomos e que cada mudança conformacional tinha de ser disparada separadamente; uma vantagem era que podiam ser monitorados com facilidade em massa por medições de fluorescência. Os primeiros sistemas autônomos basearam-se em enzimas de ácido nucleico, NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 41

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) sobre robôs moleculares de DNA e nanomotores de DNA, com referências a trabalhos acadêmicos.

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UNCLASSIFIED/; FOR OFFICIAL U.!I! er•tY landscapes traversed by molecules. The capability for computation is also needed to analyze these data and, in many applications, some rudimentary processing units such as the logic gate networks shown in the previous section would be enough to achieve useful functionalit ies. To exhibit these capabilit ies, a team of scientists from Columbia University, Arizona State University, the University of Michigan, and the California Institute of Technology (Caltech) (123) have programmed an autonomous molecular "robot" made out of DNA to start, move, turn, and stop while following a DNA track. This development could ultimately lead to molecular systems that might one day be used for medical therapeutic devices and molecular -scale reconfigurable robots-robots made of many simple units that can reposit ion or even rebuild themselves to accomplish different tasks. The researchers constructed a trail of molecular "bread crumbs" on the DNA origami track by stringing additional single-stranded DNA molecules, or oligonucleot ides, off the ends of the staples. These represent the cues that tell the molecular robots what to do-start, walk, turn left, turn right, or stop, for example-akin to the commands given to traditional robots. We will discuss the "nano walker" in greater detail in a later section in this treatise. It is this third function, the controlled movement of molecules through the aid of nanometers that will be discussed next. DNA Nanomotors Molecular-size motors have evolved in nature, where they are used in virtually every important biological process. In contrast, the development of synthetic nanometers that mimic the function of these amazing natural systems and that could be used in man-made nanodevices is in its infancy. Building nanoscale motors is not just an exercise in scaling down the design of a macroworld engine to nanoscale dimensions . Many factors such as friction, heat dissipation and many other mechanical behaviors are just very different at this scale - everything is constantly moving (under kinet ic energy supplied by the heat of the surroundings) and being buffeted by other atoms and molecules (Brownian motion). The concept of a single DNA molecule nanometer was already introduced in early 2002. (124) DNA nanometers are synthetic biochemical devices whose motion can be controlled at the molecular scale. DNA molecular motors will be indispensable parts for the construction of molecular robots. The motion of a robot should be well-controlled by means of some molecular input, or it should be driven autonomously by cues from the environment. First approaches to encode molecular motion in DNA structures were based on the reversible and input-sensitive conformational changes. For example, the first reported use of a DNA motor was a nanomechanical device which generated twisting motion along the helix axis based on 8-Z transition controlled by ionic strength of a solution. (125) Then, the first molecular tweezers were driven by successive reversible branch migrations of DNA strands, and these strands were called "fuel" and "anti-fuel." (126) The next level in complexity were "remotely­ controlled" walkers introduced by Seeman and Pierce, as they were based on a series of successive unidirectional conformational changes driven by strand displacement . These sequential conformationa l changes were microscopic analogs of macroscopic commands such as: "lift the first leg", "drop the first leg to the next available position"; "lift the second leg", "drop the second leg to the next available position", with a cumulative result of a translational movement of a molecule along a track. One drawback of these systems was that they were not autonomous, and that each conformational change had to be triggered separate ly, while one advantage was that they could have been monitored easily in bulk with fluorescence measurements. The first autonomous systems were based on nucleic acid UNCLASSIFIED//EOA: OFFICil.t.k YSf 8HtY 41

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TRECHO 43 · PÁGINA FÍSICA 43

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] por exemplo deoxirribozimas, e realizavam mudanças conformacionais em fase de solução ou foram propostos para se mover autonomamente ao longo de uma trilha linear por até quatro passos (127). Um novo artigo publicado na revista Nano Letters detalha como os pesquisadores criaram o primeiro nanomotor movido a luz (Figura 24) a partir de uma substância química fotorreativa e de um trecho curto, de apenas 31 pares de bases, de DNA (128). O motor lembra um pouco uma pinça. Quando a luz ultravioleta o atinge, a substância fotorreativa faz o DNA se dobrar, o que funciona como o golpe de força do motor, abrindo a pinça. A luz do espectro visível, por sua vez, restaura a substância química, fechando a pinça. A equipe da Universidade da Flórida construiu um novo tipo de "nanomotor molecular" acionado apenas por fótons, ou partículas de luz. Embora não seja o primeiro nanomotor movido a fótons, o dispositivo quase infinitesimal é o primeiro construído inteiramente com uma única molécula de DNA, o que oferece uma simplicidade que aumenta seu potencial de desenvolvimento, fabricação e aplicações no mundo real, em áreas que vão da medicina à manufatura. Nos próximos anos, os nanomotores poderão se tornar componentes de dispositivos microscópicos que reparam células individuais ou combatem vírus ou bactérias. Embora estejam em fase conceitual, esses dispositivos, como os muito maiores, exigirão uma fonte de energia para funcionar. Por ser feito de DNA, o nanomotor é biocompatível. Ao contrário dos sistemas de energia tradicionais, o nanomotor também não produz resíduos ao converter energia luminosa em movimento. [diagrama: fita de DNA com azobenzeno; haste; alça; sequência de bases (em parte ilegível)] Figura 24. Nanomotor baseado em DNA, de uma única molécula, acionado por fótons. (128) Nanomotores podem ser encadeados, de modo que pequenos movimentos em escala microscópica se somem em grandes movimentos em escala macroscópica. Na biologia, a contração muscular e o movimento das plantas resultam ambos de pequenos motores trabalhando juntos para criar grandes mudanças. Os cientistas tentam imitar os muitos motores moleculares já comprovados na natureza. Hoje, a biologia atua como projeto-base para o desenvolvimento de muitos dispositivos baseados em DNA. Um desses mecanismos de base biológica é o nano-caminhante inspirado em aranhas. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 42

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) sobre nanomotor de DNA acionado por luz (figura 24), com a pesquisa da Universidade da Flórida.

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---- UNCLASSIFIED//EOR OFFl&IJ..L ttSI!! BHLI enzymes, e.g., deoxyribozymes, and performed either solution phase conformational changes, or were proposed to move autonomously along a linear track over up to four steps. (127) A new paper published in the journal Nano Letters details how the researchers created the first light-powered nanometer (Figure 24) out of a photoreactive chemical and a short length -- only 31 base pairs -- of DNA. (128) The motor looks a bit like a pair of tweezers. When UV light hits it, the photoreactive chemical causes the DNA to bend, which acts as the power stroke of the motor, opening the tweezers. Light in the visible spectrum, in turn, resets the chemical, closing the tweezers. The team from the University of Florida built a new type of "molecular nanometer" driven only by photons, or particles of light . While it is not the first photon-driven nanomotor, the almost infinitesimal device is the first built entirely with a single molecule of DNA, offering a simplic ity that increases its potent ial for development, manufacture and real-world applicat ions in areas ranging from medicine to manufactur ing. In the coming years, nanometers could become a component of microscopic devices that repair individual cells or fight viruses or bacteria. Although in the conceptual stage, those devices, like much larger ones, will require a power source to function . Because it is made of DNA, the nanomotor is biocompatible. Unlike traditional energy systems, the nanomotor also produces no waste when it converts light energy into motion. zob oz n< > . '. . . 'I '• I . •. T TOOT G ____, \._.... ). V I tern' tem Loop Figure 24. A single molecule DNA-based nanomotor driven by photons . (128) Nanometers can be daisy -chained together, so that small movements on the microscopic scale add up to large movements at the macroscopic scale. In biology, muscle contraction and plant movement both result from small motors working together to create big changes. Scientists are attempting to mimic the many molecu lar motors that have been proven in nature. Today, biology is acting as a blueprint for the development of many DNA-based devices . One such biologically based mechanism is the spider-like-inspired nanowalker. UNCLASSIFIED//POR: Offl@IAL Y&li 8Ptllf 42

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TRECHO 44 · PÁGINA FÍSICA 44

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] Figura 25. Varredura de AFM de caminhantes seguindo um padrão de trilha colocado sobre a superfície. Cada um pode dar até 50 passos. Visível o corpo de cada caminhante, que carrega uma carga (átomos de ouro) ao longo do percurso projetado. A barra de escala é de 50 nm. (129) O nano-caminhante: uma abordagem semelhante a aranhas Um robô simples carregador de cargas foi demonstrado por Gu (129). As aranhas seguem um percurso designado, colocado sobre uma superfície, recolhendo átomos de ouro à medida que passam por eles. Um dispositivo desse tipo poderia ser usado para coletar amostras de superfícies de asteroides ou de planetas. Em grande escala, poderia coletar materiais críticos para a missão em um local de exploração. Em outra abordagem, um protorrobô molecular em escala nanométrica, com potencial de integração com computação e sensoriamento (isto é, para chegar a um robô molecular real) (130), foi apresentado por Stojanovic. O projeto parte da consideração da seguinte situação: uma superfície coberta com substratos em configuração de andaime é exposta a uma única deoxirribozima, que se ligará ao seu substrato, o clivará, liberará os dois produtos e então se ligará novamente a outro substrato, repetindo o ciclo enquanto houver substratos disponíveis no andaime (Figura 26). Essa deoxirribozima se moveria sobre a superfície por um processo chamado caminhada aleatória autorrepelente, sendo mais atraída pelos substratos do que pelo produto residual na superfície. Mas toda perda de contato com a superfície poderia levar à saída da deoxirribozima para a solução, com processividade determinada experimentalmente (clivagem de substratos sem sair para a solução) de um só dígito. No entanto, a combinação dos conceitos de caminhada autorrepelente de deoxirribozimas e de multivalência levou a testar montagens com 2 a 6 pernas de deoxirribozima expostas em corpos inertes (isto é, aranhas), e a processividade aumentou para até vários milhares. Em essência, a ligação cumulativa de vários catalisadores aos substratos prenderia firmemente a aranha à matriz, enquanto os catalisadores individuais ainda poderiam clivar substratos rapidamente, liberar produtos e ligar-se a novos substratos por meio de dissociação e religação. Se a densidade de NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 43

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) com a figura 25 (varredura de AFM de caminhantes moleculares) e a descrição do nano-caminhante tipo aranha.

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UNCLASSIFIED/ /Fdk OFFICIAL USE l>flti" Figure 25. AFM Scan of walkers as they follow a track pattern places on the surface. Each can take up to 50 steps. Visible is the body of each walker as they carry cargo (gold atoms} along the designed path. Scale bar is 50 nm. (129} The Nano Walker; a Spider-like Approach A simple cargo carry ing robot was demonst rated by Gu. (129) Spiders follow a designated path placed on a surface, picking up gold atoms as they pass over them. Such a device could be used to collect samples from asteroid or planetary surfaces . On a massive scale, they could collect mission critica l mater ials from an explorat ion site. In a different approach, a nano-scale molecular proto-robot with a potential for integration with computing and sensing (i.e ., into a real molecular robot), (130) was introduced by Stojanovic: This design starts with a consideration of the following situation; a surface covered with substrates in a scaffold configuration is exposed to a single deoxyr ibozyme that will bind to its substrate, cleave it, release both products, and then bind again to another substrate, repeating the cycle, for as long as there are substrates available on the scaffold. (Figure 26) This deoxyribozyme would move over the surface with the process called self­ repelling random walk, being attracted more by substrates, than by the residual product on the surface. But every loss of the contact with surface could lead to the removal of the deoxyribozyme in the bulk solution, with experimentally determined processivity (cleaving substrates without leaving into bulk solution) into single digits. However, combin ing the concepts of self-repelling walk of deoxyribozymes and multivalency, led to testing assemblies with 2-6 deoxyribozyme legs displayed on inert bodies (i.e., spiders), and the processivity was increased to up to several thousands. Essentially, the cumu lative binding of multiple catalysts to substrates would attach the spider tightly to the matrix, whereas individual catalysts would still be able to rapidly cleave substrates, release products, and bind new substrates through the process of dissociation and rebinding. If density of UNCLASSIFIED/ /FAR OSSICl.\k W&E 8HLY 43

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TRECHO 45 · PÁGINA FÍSICA 45

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] substratos e o tamanho das pernas forem bem ajustados, a montagem se move continuamente para novas áreas cobertas de substrato. Devido à ligação residual das deoxirribozimas aos produtos, mesmo que as aranhas estivessem cercadas por áreas cobertas de produto, conseguiriam se mover sobre elas por caminhada aleatória comum, até encontrar substratos novamente. É importante que o movimento direcional das aranhas possa ser obtido alinhando-se os substratos em percursos direcionais, por exemplo, expondo-os em estruturas automontadas, inclusive de origami (Figura 27). Além disso, computação simples pode ser introduzida por portas lógicas como pernas. O nano-caminhante poderia ser hibridizado para reparar maquinário baseado em DNA, inclusive computadores de DNA, quando estiverem sendo montados ou quando forem danificados, por exemplo, por raios cósmicos. [ilustração em forma de renderização artística: caminhante molecular] Figura 26. O nano-caminhante feito na Universidade Columbia é uma molécula de proteína decorada com três pernas, DNAzimas de fita simples, moléculas sintéticas de DNA que atuam como enzimas e catalisam uma reação. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 44

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) que prossegue com o nano-caminhante tipo aranha e traz a figura 26 (renderização do caminhante molecular).

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIJcL l:ISI: 8HL¥ substrates and size of legs are adjusted well, the assembly is continuously moving to new substrate-covered areas. Due to residual binding of deoxyribozymes to products, even if the spiders were surrounded by the product-covered areas, they would be able to move over t hem by ordinary random walk, until they would find substrates again. Importantly, directional movement of spiders can be accomplished by aligning substrates in directional paths, for example, by displaying them on self-assembled structures, including origami (Figure 27). Further, simple computing can be introd uced by logic gates as legs. The nano walker could be hybridized to repair DNA based machinery, including DNA computers, when they are being assembled, or when they are damaged from cosmic rays, for example. Figure 26. The Nano walker made at Columbia University is a protein molecule decorated with three legs--single-stranded DNAzymes, synthetic DNA molecules that act as enzymes and catalyze a reaction. UNCLASSIFIED//EOAt QFFICilit.L YSI!! 9HL I 44

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TRECHO 46 · PÁGINA FÍSICA 46

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] [diagrama (a-e): perna de captura; fita-gatilho; início; seguir; virar; parar; substrato; produto; DNAzima 8-17; origami] Figura 27. Caminhante molecular baseado em deoxirribozima e paisagem prescritiva de origami. a, A aranha NICK3.4A311 consiste em um núcleo de estreptavidina, com um DNA de fita simples de 20 bases (verde) que posiciona a aranha no início, e três pernas de deoxirribozima. b, A deoxirribozima 8-17 cliva seu substrato em uma base de RNA, criando dois produtos mais curtos (de 7 e 11 bases de comprimento, respectivamente). A dissociação desses produtos permite que as pernas se associem ao substrato seguinte. c, Ações da aranha: após ser liberada por um gatilho de DNA de fita simples de 27 bases, a aranha segue o substrato até uma posição STOP. d, Esquema da paisagem de origami de DNA com as posições A-E rotuladas; a trilha EABD é mostrada, com I indicando um marcador de imagem topográfica. e, Uma paisagem de origami representativa mostrando a posição START (verde), a trilha de substrato (marrom), os pontos STOP e CONTROLE (vermelho) e um marcador de imagem topográfica (azul). rA, posição de ribonucleotídeo em que ocorre a clivagem; dA, desoxirribonucleotídeo em um análogo não quimérico e não clivável do substrato em uma posição STOP. (123) DISCUSSÃO Os primeiros computadores quânticos operacionais capazes de resolver problemas do mundo real começarão a existir dentro de 10 anos e serão baseados em tecnologia de armadilha de íons. Isso se baseia inteiramente na quantidade de recursos de pesquisa dedicados ao problema e no fato de que parecem restar apenas desafios de engenharia. Armadilhas de átomos e de íons exigem sistemas muito substanciais de blindagem criogênica e eletromagnética e não são práticas para viagens espaciais. As tecnologias fotônicas puras hoje disponíveis têm dificuldade tanto de miniaturização quanto de escalabilidade. No entanto, a quantidade de trabalho ativo na área torna provável um avanço disruptivo no horizonte de 10 anos. Computadores ópticos provavelmente serão realizados no horizonte de 20 anos; porém, a promessa poderosíssima da computação quântica ainda terá problemas com a perda de fótons em qualquer dispositivo de estado sólido. O horizonte de 40 anos verá as tecnologias de fótons desempenharem um papel essencial, mas de apoio, na computação quântica distribuída. Os sistemas realizados terão vantagens de tolerância à radiação em relação à tecnologia atual de semicondutores e provavelmente complementarão ou até substituirão dispositivos de computação de uso geral para viagens espaciais. Projetos híbridos que utilizem arranjos de pontos quânticos e canais de comunicação por fótons serão uma opção de supercomputação para viagens espaciais na escala de tempo de 40 anos. Esses sistemas operam em temperaturas atingíveis, sem criogenia, e não exigem mais blindagem do que os humanos. É provável que a spintrônica seja um ingrediente essencial. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 45

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) com a figura 27 (caminhante molecular em origami de DNA) e o início da discussão, com cenários de 10, 20 e 40 anos para computação quântica e fotônica em viagens espaciais.

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-- UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFl@IAL U5E Oiltf a 5' , Captun, leg d . Ill51 n c r- StartAr1-~"=..,..... • VV\. ..."W'J'>... TRIGGER strand b 3' Spider~Y G -- Follow~ -~~-i' •c ~ T - A T A -- - C-G C A T - A a-kJl. T -A ~ AC. ; : °'c?;;:~ o-c."l;p c 3• - - Turnl .,. A T -A ___{ .,,:A-;,]' --~-~~----+'G-A~;:1 8-17 A- T A- T ---Substrate o-c Product === DNA r~ T ·A em:yme G- C A - T A •T A •T A •T ,_,A· T n~ =~ ~ - -- Stop --3 / 3'' < - -4:.--4:. Origami Origam i --- ~~-- ~ -► 4:.-.4:._ Figure 27. Deoxyribozyme-based molecular walker and origami prescriptive landscape. a, The NICK3.4A311 spider consists of a streptavidin core, with a 20-base single-stranded DNA (green) that positions the spider at the start, and three deoxyribozyme legs. b, The 8-17 deoxyribozyme cleaves its substrate at an RNA base, creating two shorter products (respectively 7 and 11 bases in length). Dissociation from these products allows legs to associate with the next substrate. c, Spider actions: after release by a 27-base single-stranded DNA trigger, the spider follows the substrate at a STOP position. d, Schematic of the DNA origami landscape with positions A-E labelled; track EABD is shown with I indicating a topographical imaging marker. e, A representative origami landscape showing the START position (green), the substrate track (brown), STOP and CONTROL sites (red), and a topographical imaging marker (blue). rA, ribonucleotide position at which cleavage occurs; dA, deoxyribonucleotide within non-chimeric and non-cleavable analogue of substrate at a STOP position. (123) DISCUSSION The first operating quantum computers capable of solving real-world problems will commence within 10 years and be based on ion-trap technology. This is entirely based on the amount of research resources dedicated to the problem and the fact that there appear to only be engineering challenges remaining. Atomic and ion traps require very substantial cryogenic and EM shielding systems and are not practical for space travel. Pure photonic technologies available today have difficulty with both miniaturization and scalability. However, the amount of active work in the field makes a disruptive advance likely in the 10-year timeframe. Optical computers will likely be realized in the 20-year horizon; however, the very powerful promise of quantum computing will still have issues with photon loss in any solid state device. The 40-year horizon will see photon technologies play an essential but supporting role in distributed quantum computing. The realized systems will have radiation tolerance advantages over current semiconductor technology and are likely to augment or even replace general purpose computing devices for space travel. Hybrid designs utilizing arrays of quantum dots and photon communication channels will be an option for space travel supercomputing on the 40-year timescale. These systems operate at attainable tempe ratures without cryonics, and require no more shielding than humans. It is likely that spintronics will be an essential ingredient . UNCLASSIFIED/ ,{FOR OEEICIAk WSf 9HL I 45

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TRECHO 47 · PÁGINA FÍSICA 47

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] A computação orgânica simples baseada em ladrilhos de DNA será realizada nos próximos 20 anos. No horizonte de 40 anos, dispositivos úteis baseados em DNA serão ferramentas essenciais de exploração espacial. Poderão tomar a forma de sensores sem fio lançados de órbita, que procurem feições planetárias ou de asteroides, ou compostos essenciais, como altas concentrações de água. Computadores de DNA serão realizados na escala de tempo de 40 anos. Sua vantagem sobre dispositivos de estado sólido será a capacidade de reparar elementos em escala nanométrica danificados no uso normal ou pela radiação cósmica. Não serão os sistemas mais rápidos do astro-arsenal, mas talvez sejam os mais robustos. CONCLUSÃO Apresentamos uma introdução à computação quântica e às tecnologias que compõem o estado da arte atual. No horizonte de 10 a 20 anos, veremos computadores ópticos e baseados em DNA realizados em pequenas escalas de produção, mas seu nível de prontidão para viagens espaciais será insuficiente. No horizonte de 40 anos, serão vistos quatro grandes avanços em tecnologia pronta para o espaço: dispositivos desenvolvidos para computação óptica permitirão que um computador totalmente óptico complemente ou substitua computadores de uso geral; a comunicação óptica terá papel essencial em projetos híbridos de computadores quânticos espaciais, junto com pontos quânticos; dispositivos de DNA realizarão análises simples de dados de sensores distribuídos; e computadores de DNA tolerantes a falhas estarão disponíveis para tarefas de análise críticas para a missão. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 46

Nota editorial: Página do estudo da DIA (2010) com a conclusão: previsões prospectivas para computadores ópticos e de DNA em horizontes de 10 a 40 anos, aplicadas a missões espaciais.

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UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE 014Li Simple organic computing based on DNA tiles will be real ized in the next 20 years. On the 40-year time horizon, useful DNA-based devices will be essential space exploration tools. These could take the form of orbital-delivered wireless sensors searching planeta ry/ astero id features or for essential compounds such as high concentrations of water. DNA computers will be realized on the 40-year timeline. Their advantage over solid state devices will be the ability to repair nanoscale elements damaged in normal use or by cosmic radiation. These will not be the fastest systems in the astro-arsenal, but they may be the most robust. CONCLUSION We have presented an introduction to quantum computing and the technologies that comprise the current state-of-the-art. In the 10-20 year horizon, we will see optical and DNA-based computers realized on small production scales, but their readiness level for space travel will be lacking. On the 40-year horizon four major advances in space-ready technology will be seen: devices developed for optical computing will allow an all-optical computer to augment or replace general purpose computers; optical communication will play an essential role in hybrid designs of space-based quantum computers along with quantum dots; DNA devices will perform simple distributed sensor data analyses; and fault tolerant DNA computers will be available for mission-critical analysis tasks. UNCLASSIFIED/ ,{EQR OEEICI\L W&E 8HtY 46

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TRECHO 48 · PÁGINA FÍSICA 48

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] [página sem texto, apenas as marcações de classificação] NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 47

Nota editorial: Página em branco, apenas com as marcações de classificação, entre a conclusão e as referências.

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UNCLASSIFIED/ /FOA 0FFI€iIJ..l YSIE 8HLY UNCLASSIFIED/ /FOR: orr1e1J1ct U:!I!! OHL¥ 47

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TRECHO 49 · PÁGINA FÍSICA 49

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] REFERÊNCIAS 1. Turing A. [referências bibliográficas no original]. Proceedings of the London Mathematical Society, 1937; 42: 230-65. 2. Cho K, George AD, Subramaniyan R. [referências bibliográficas no original]. Journal of Computational Acoustics. 2005;13(4):667-87. 3. Cho K, George AD, Subramaniyan R, Kim K. [referências bibliográficas no original]. Journal of Computational Acoustics. 2006;14(3):299-319. 4. Einstein A. [referências bibliográficas no original] (Sobre a teoria quântica da radiação). Physikalische Zeitschrift. 1917;18:121-8. 5. Ladd TD, Jelezko F, Laflamme R, Nakamura Y, Monroe C, O'Brien JL. [referências bibliográficas no original]. Nature. 4 mar 2010;464(7285):45-53. 6. Shor PW, editor. [referências bibliográficas no original]. 35º Simpósio Anual sobre os Fundamentos da Ciência da Computação; 1994: IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA. 7. Grover LK. [referências bibliográficas no original]. Physical Review Letters. jul 1997;79(2):325-8. 8. Grover LK. [referências bibliográficas no original]. Physical Review Letters. out 2005;95(15). 9. Bennett CH, Brassard G, Popescu S, Schumacher B, Smolin JA, Wootters WK. [referências bibliográficas no original]. Physical Review Letters. jan 1996;76(5):722-5. 10. Gottesman D, Chuang IL. [referências bibliográficas no original]. Nature. nov 1999;402(6760):390-3. 11. Feynman RP. [referências bibliográficas no original]. International Journal of Theoretical Physics. 1982;21(6-7):467-88. 12. Ortiz G, Gubernatis JE, Knill E, Laflamme R. [referências bibliográficas no original]. Computer Physics Communications. 2002;146(3):302-16. 13. Knill E, Laflamme R. [referências bibliográficas no original]. Phys Rev A. [Artigo]. fev 1997;55(2):900-11. 14. Li YF, Dumer I, Pryadko LP. [referências bibliográficas no original]. Physical Review Letters. [Artigo]. maio 2010;104(19):4. 15. Mizel A, Lidar DA, Mitchell M. [referências bibliográficas no original]. Physical Review Letters. ago 2007;99(7). 16. Raussendorf R, Briegel HJ. [referências bibliográficas no original]. Physical Review Letters. maio 2001;86(22):5188-91. 17. Raussendorf R, Harrington J, Goyal K. [referências bibliográficas no original]. Annals of Physics. set 2006;321(9):2242-70. 18. Trauzettel B, Bulaev DV, Loss D, Burkard G. [referências bibliográficas no original]. Nat Phys 3, 192-196 (2007). 19. Weinstein YS, Hellberg CS, Levy J. 2005. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. A 72 020304. 20. Jordan AN, Trauzettel B, Burkard G. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. B 76, 155324 (2007). NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 48

Nota editorial: Página de referências bibliográficas 1 a 20 do estudo da DIA (2010), sobre máquina de Turing, algoritmos quânticos, correção de erros e qubits.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&IAl l::181: 8HLY REFERENCES 1. Turing A. On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem. Proceedings of the London Mathematical Society 1937 ;42: 230-65. 2. Cho K, George AD, Subramaniyan R. Fault-tolerant parallel algorithms for adaptive matched-field processing on distributed array systems. Journal of Computational Acoustics. 2005;13(4):667-87. 3. Cho K, George AD, Subramaniyan R, Kim K. Fault-tolerant matched-field processing in the presence of element failures. Journal of Computational Acoustics. 2006; 14(3): 299-319. 4. Einstein A. Zur Quantentheorie der Strahlung (On the Quantum Theory of Radiation). Physikalische Zeitschrilt. 1917;18:121-8. 5. Ladd TD, Jelezko F, Laflamme R, Nakamura Y, Monroe C, O'Brien JL. Quantum computers. Nature. 2010 Mar 4;464(7285) :45-53. 6. Shor PW, editor. Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factor ing. 35th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science; 1994: IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA. 7. Grover LK. Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack. Physical Review Letters. 1997 Jul;79(2):325-8. 8. Grover LK. Fixed-point quantum search. Physical Review Letters. 2005 Oct;95(15). 9. Bennett CH, Brassard G, Popescu S, Schumacher B, Smolin JA, Wootters WK. Purification of noisy entanglement and faithful teleportation via noisy channels. Physical Review Letters. 1996 Jan;76(5):722-5. 10. Gottesman D, Chuang IL. Demonstrating the viability of universal quantum computation using teleportation and single-qubit operations. Nature. 1999 Nov;402(6760): 390-3. 11. Feynman RP. Simulating Physics with Computers. International Journal of Theoretical Physics. 1982;21(6-7):467-88. 12. Ortiz G, Gubernatis JE, Knill E, Laflamme R. Simulating fermions on a quantum computer. Computer Physics Communicat ions. 2002;146(3):302 -16. 13.Knill E, Laflamme R. Theory of quantum error-correcting codes. Phys Rev A. [Article]. 1997 Feb;55(2) :900 -11. 14. Li YF, Dumer I, Pryadko LP. Clustered Error Correction of Codeword-Stabilized Quantum Codes. Physical Review Letters. [Article]. 2010 May;104(19):4. 15. Mizel A, Lidar DA, Mitchell M. Simple proof of equivalence between adiabatic quantum computation and the circu it model. Physical Review Letters. 2007 Aug;99(7). 16. Raussendorf R, Briegel HJ. A one-way quantum computer. Physical Review Letters . 2001 May;86(22):5188-91. 17.Raussendorf R, Harrington J, Goyal K. A fault-to lerant one-way quantum computer. Annals of Physics. 2006 Sep;321(9):2242 -70. 18. B. Trauzettel, D.V. Bulaev, D. Loss, G. Burkard. Spin qubits in graphene quantum dots, Nat Phys 3, 192-196 (2007). 19. WeinsteinY S, Hellberg C S and Levy J 2005 Quantum-dot cluster-state comput ing with encoded qubits Phys. Rev. A 72 020304. 20.A.N. Jordan, B. Trauzettel, G. Burkard. Weak-measurement theory of quantum-dot spin qub its, Phys. Rev. B 76, 155324 (2007). UNCLASSIFIED/ /FOA QFFl&IAL Y!H!! f>flt I 48

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TRECHO 50 · PÁGINA FÍSICA 50

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 21. W. Pauli, Z. Physik, 31 (1925) 373. 22. Kouwenhoven LP, Schön G e Sohn LL, em Mesoscopic Electron Transport, NATO ASI Series E, vol. 345 (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1997). 23. Wolf SA, Awschalom DD, Buhrman RA, Daughton JM, von Molnár S, Roukes ML, Chtchelkanova AY e Treger DM, Science 294, 1488 (2001). 24. Recher P, Sukhorukov EV e Loss D, Phys. Rev. Lett. 85, 1962 (2000). 25. Folk JA, Potok RM, Marcus CM e Umansky V, Science 299, 679 (2003). 26. Hanson R, Vandersypen LMK, Willems van Beveren LH, Elzerman JM, Vink IT e Kouwenhoven LP, Phys. Rev. B 70, 241304 (2004). 27. Ono K, Austing DG, Tokura Y e Tarucha S, Science 297, 1313 (2002). 28. Para uma revisão recente abrangente sobre o tema, ver Cerletti V, Coish WA, Gywat O e Loss D, Nanotechnology 16, R27 (2005). 29. Hanson R, Kouwenhoven LP, Petta JR, Tarucha S e Vandersypen LMK, Rev. Mod. Phys. 79, 1217 (2007). 30. Novoselov, K.S. et al. [referências bibliográficas no original]. Science 306, 666-669 (2004). 31. Novoselov, K.S. et al. [referências bibliográficas no original]. Nature 438, 197-200 (2005). 32. Zhang, Y., Tan, Y.-W., Stormer, H.L. e Kim, P. [referências bibliográficas no original]. Nature 438, 201-204 (2005). 33. Cheianov, V.V. e Fal'ko, V.I. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. B 74, 041403(R) (2006). 34. Dombay, N. e Calogeracos, A. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rep. 315, 41-58 (1999). 35. Katsnelson, M.I., Novoselov, K.S. e Geim, A.K. [referências bibliográficas no original]. Nature Phys. 2, 620-625 (2006). 36. McClure, J. W. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. 104, 666-671 (1956). 37. Semenoff, G.W. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. Lett. 53, 2449-2452 (1984). 38. DiVincenzo, D.P. e Mele, E.J. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. B 29, 1685-1694 (1984). 39. Silvestrov, P.G. e Efetov, K.B. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. Lett. 98, 016802 (2007). 40. Nilsson, J., Castro Neto, A.H., Guinea, F. e Peres, N.M.R. [referências bibliográficas no original]. Pré-publicação em www.arXiv.org/cond-mat/0607343 (2010). 41. De Martino, A., Dell'Anna, L. e Egger, R. [referências bibliográficas no original]. Pré-publicação em www.arXiv.org/cond-mat/0610290 (2010). 42. Silvestrov, P.G. e Efetov, K.B. [referências bibliográficas no original]. Phys. Rev. Lett. 98, 016802 (2007). 43. Hanson R, Kouwenhoven LP, Petta JR, Tarucha S e Vandersypen LMK, Rev. Mod. Phys. 79, 1217 (2007). 44. Nakada K, Fujita M, Dresselhaus G e Dresselhaus MS, Phys. Rev. B 54, 17954 (1996). 45. Brey L e Fertig HA, Phys. Rev. B 73, 235411 (2006). 46. Son Y-W, Cohen ML e Louie SG, Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006). 47. Giovannetti G, Khomyakov PA, Brocks G, Kelly PJ e van den Brink J, Phys. Rev. B 76, 073103 (2007). NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 49

Nota editorial: Página de referências bibliográficas 21 a 47 do estudo da DIA (2010), sobre grafeno, pontos quânticos e controle de spins.

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UNCLASSIFIED/ /EOR OFFIEIAk W&li 8PtLY 21.W. Pauli, Z. Physik, 31 (1925) 373. 22.Kouwenhoven LP ' , Sch .. on G' , and Sohn LL' , in Mesoscopic Electron Transport ' , NATO ASI Series E', Vol. 345 (Kluwer Academic Publishers', Dordrecht', 1997). 23. Wolf SA, Awschalom DD, Buhrman RA, Daughton JM, vonMoln 'ar S, Roukes ML, Chtchelkanova AY, and Treger DM, Science 294, 1488 (2001). 24. Recher P, Sukhorukov EV, and Loss D, Phys. Rev. Lett. 85, 1962 (2000). 25. Folk JA, Potok RM, Marcus CM, and Umansky V, Science 299, 679 (2003). 26. Hanson R, Vandersypen LMK, Willems van Beveren LH, Elzerman JM, Vink IT, and Kouwenhoven LP, Phys. Rev. B 70, 241304 (2004). 27.Ono K, Austing DG, Tokura Y, and Tarucha S, Science 297, 1313 (2002). 28. For a comprehens ive recent review on the topic, see Cerletti V, Coish WA, Gywat 0, and Loss D, Nanotechnology 16, R27 (2005). 29. Hanson R, Kouwenhoven LP, Petta JR, Tarucha S, and Vandersypen LMK, Rev. Mod. Phys. 79, 1217 (2007). 30.Novoselov, K.S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306, 666-669 (2004). 31. Novoselov, K.S. et al. Two -dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature 438, 197-200 (2005). 32 . Zhang, Y., Tan, Y.- W., Stormer, H.L. & Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature 438, 201-204 (2005). 33. Cheianov, V.V. & Fal'ko, V.I. Selective transmission of Dirac electrons and ballistic magnetoresistance of n - p junctions in graphene. Phys. Rev. B 74, 041403(R) (2006). 34. Dombay, N.& Calogeracos, A. Seventy years of the Klein paradox . Phys. Rep. 315, 41-58 (1999). 35. Katsnelson, M.I., Novoselov, K.S.& Geim, A.K. Klein paradox in graphene. Nature Phys. 2, 620 - 625 (2006). 36. McClure, J. W. Diamagnetism of graphite. Phys. Rev. 104, 666-671 (1956). 37.Semenoff, G.W. Condensed-matter simulation of a threedimens ional anomaly. Phys. Rev. Lett. 53, 2449-2452 (1984). 38. DiVincenzo, D.P. & Mele, E.J. Self-consistent effective-mass theory for intralayer screening in graphite intercalation compounds. Phys. Rev. B 29, 1685-1694 (1984) . 39. Silvestrov, P.G. & Efetov, K.B. Quantum dots in graphene. Phys. Rev. Lett. 98, 016802 (2007). 40.Nilsson, J., Castro Neto, A.H., Guinea, F. & Peres, N.M.R. Transmission through a biased graphene bilayer barrier. Preprint at www .arXiv .org/cond -mat/0607343 (2010). 41. De Martino, A., Dell'Anna, L. & Egger, R. Magnet ic confinement of massless Dirac fermions in graphene. Preprint at www .arXiv.org/cond -mat/0610290 (2010) . 42. Silvestrov, P.G. & Efetov, K.B. Quantum dots in graphene. Phys. Rev. Lett. 98, 016802 (2007). 43. Hanson R, Kouwenhoven LP, Petta JR, Tarucha S, and Vandersypen LMK, Rev. Mod. Phys. 79,1217 (2007). 44. Nakada K, Fujita M, Dresselhaus G, and Dresselhaus MS, Phys. Rev. B 54, 17954 {1996). 45. Brey Land Fertig HA, Phys. Rev . B 73, 235411 (2006) . 46.Son Y-W, Cohen ML, and Louie SG, Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006). 47.Giovannetti G, Khomyakov PA, Brocks G, Kelly PJ, and van den Brink J, Phys. Rev. B 76, 073103 (2007). UNCLASSIFIED/ /EOR OFFIGIAL W&li 8PtLY 49

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TRECHO 51 · PÁGINA FÍSICA 51

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 48. Zhou SY, Gweon GH, Fedorov AV, First PN, de Heer WA, Lee DH, Guinea F, Castro Neto AH, Lanzara A, Nature Mater. 6, 770 (2007). 49. Enderlein C, Kim YS, Bostwick A, Rotenberg E e Horn K, New Journal of Phys. 12, 033014 (2010). 50. Trauzettel B, Bulaev DV, Loss D e Burkard G, Nature Phys. 3, 192 (2007). 51. Recher P, Nilsson J, Burkard G e Trauzettel B, Phys. Rev. B 79, 085407 (2009). 52. F. Muñoz-Rojas, D. Jacob, J. Fernández-Rossier e J. J. Palacios, [referências bibliográficas no original]. PRB 74, 195417 (2006). 53. Reddy, C.D., Ramasubramaniam, A., Shenoy, V.B. e Zhang, Y.-W. [referências bibliográficas no original]. Applied Physics Letters 94, 101904 (2009). 54. Han, M. Y.; Özyilmaz, B.; Zhang, Y.; Kim, P. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 206805. 55. Chen, Z. H.; Lin, Y. M.; Rooks, M. J.; Avouris, P. Physica E 2007, 40, 228-232. 56. Geim AK, Novoselov KS. [referências bibliográficas no original]. Nat Mater. mar 2007;6(3):183-91. 57. Geim AK, Novoselov KS. [referências bibliográficas no original]. Nat Mater. mar 2007;6(3):183-91. 58. Trauzettel B, Bulaev DV, Loss D e Burkard G, 2007, Nat. Phys. 3, 192. 59. Schnez A, Ensslin K, Sigrist M e Ihn T, 2008, arXiv:0810.3216v1. 60. Peres NMR, Rodrigues JNB, Stauber T e Lopes dos Santos JMB, 2008, arXiv:0810.4768v. 61. Chen H-Y, Apalkov V e Chakraborty T, 2007, Phys. Rev. Lett. 98, 186803. 62. De Martino A, Dell'Anna L e Egger R, 2007, Phys. Rev. Lett. 98. 63. Engel H-A e Loss D, Phys. Rev. Lett. 86, 4648 (2001). 64. Borhani M, Golovach VN e Loss D, Phys. Rev. B 73, 155311 (2006). 65. Koppens FHL, Buizert C, Tielrooij KJ, Vink IT, Nowack KC, Meunier T, Kouwenhoven LP e Vandersypen LMK, Nature 442, 766 (2006). 66. Hanson R, Witkamp B, Vandersypen LMK, Willems van Beveren LH, Elzerman JM e Kouwenhoven LP, Phys. Rev. Lett. 91, 192802 (2003). 67. Engel HA, Loss D. [referências bibliográficas no original]. Physical Review Letters. maio 2001;86(20):4648-51. 68. Nielsen MA e Chuang IL, [referências bibliográficas no original], Cambridge University Press (2000). 69. Burkard G, Loss D e DiVincenzo DP, Phys. Rev. B 59, 2070 (1999). 70. Burkard G, Loss D e DiVincenzo DP, Phys. Rev. B 59, 2070 (1999). 71. Recher P, Nilsson J, Burkard G, Trauzettel B. [referências bibliográficas no original]. Physical Review B. fev 2009;79(8). 72. Svore KM, Terhal BM e DiVincenzo DP, Phys. Rev. A 72, 022317 (2005). 73. Ando T, J. Phys. Soc. Jpn. 69, 1757 (2000). 74. Huertas-Hernando D, Guinea F e Brataas A, Phys. Rev. B 74, 155426 (2006). 75. Bulaev DV, Trauzettel B e Loss D, Phys. Rev. B 77, 235301 (2008). 76. Kuemmeth F, Ilani S, Ralph D e McEuen PL, Nature 452, 448 (2008). 77. Huertas-Hernando D, Guinea F e Brataas A, Phys. Rev. B 74, 155426 (2006). 78. Petta J. R., et al. [referências bibliográficas no original], Science 327, 669 (2010). 79. Taylor, J. M. et al., Phys. Rev. Lett. 94, 236803 (2005). 80. Knill E, Laflamme R, Milburn GJ. [referências bibliográficas no original]. Nature. jan 2001;409(6816):46-52. 81. Häffner H, Roos CF, Blatt R. [referências bibliográficas no original]. Physics Reports - Review Section of Physics Letters. dez 2008;469(4):155-203. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 50

Nota editorial: Página de referências bibliográficas 48 a 81 do estudo da DIA (2010), sobre grafeno, pontos quânticos e computação quântica.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAL 1::181!! 8HLY 48. Zhou SY, Gweon GH, Fedorov AV, First PN, de Heer WA, Lee DH, Guinea F, Castro Neto AH, Lanzara A, Nature Mater. 6, 770 (2007). 49. Enderlein C, Kim YS, Bostwick A, Rotenberg E, and Horn K, New Journal of Phys. 12, 033014 (2010). 50.Trauzettel B, Bulaev DV, Loss D, and Burkard G, Nature Phys. 3 192 (2007). 51. Recher P, Nilsson J, Burkard G, and Trauzettel B, Phys. Rev. B 79, 085407 (2009). 52. F. Munoz-Rojas, D. Jacob, J. Fernandez-Rossier, and J. J. Palacios, Coherent transport in graphene nanoconstrictions. PRB 74, 195417 (2006 ). 53. Reddy, C.D., Ramasubramaniam, A., Shenoy, V.B. & Zhang, Y.-W. Edge elastic properties of defect-free single-layer graphene sheets. Applied Physics Letters 94, 101904 (2009). 54.Han, M. Y.;o·· zyilmaz, B.; Zhang, Y.; Kim, P. Phys. ReV. Lett. 2007, 98, 206805. 55.Chen, Z. H.; Lin, Y. M.; Rooks, M. J.; Avouris, P. Physica E 2007, 40, 228-232. 56. Geim AK, Novoselov KS. The rise of graphene. Nat Mater. 2007 Mar;6(3): 183-91. 57.Geim AK, Novoselov KS. The rise of graphene. Nat Mater. 2007 Mar;6(3):183-91. 58.Trauzettel B, Bulaev D V, Loss D and Burkard G 2007 Nat. Phys. 3 192. 59. Schnez A, Ensslin K, Sigrist Mand Ihn T 2008 arXiv:0810.3216v1. 60. Peres N M R, Rodriquez J N B, Stauber T and Lopes dos Santos J M B 2008 arXiv: 0810.4768v 61. Chen H-Y, Apalkov V and Chakraborty T 2007 Phys. Rev. Lett. 98 186803. 62. De Martino A, Dell'Anna Land Egger R 2007 Phys. Rev. Lett. 98. 63. Engel H-A and Loss D, Phys. Rev. Lett. 86, 4648 (2001). 64. Borhani M, Golovach VN, and Loss D, Phys. Rev. B 73, 155311 (2006). 65. Koppens FHL, Buizert C, Tielrooij KJ, Vink IT, Nowack KC, Meunier T, Kouwenhoven LP, and Vandersypen LMK, Nature 442, 766 (2006). 66. Hanson R, Witkamp B, Vandersypen LMK, Willems van Beveren LH, Elzerman JM, and Kouwenhoven LP, Phys. Rev. Lett. 91, 192802 (2003). 67. Engel HA, Loss D. Detection of single spin decoherence in a quantum dot via charge currents. Physical Review Letters. 2001 May;86(20):4648-51. 68. Nielsen MA and Chuang IL, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press (2000). 69. Burkard G, Loss D, and DiVincenzo DP, Phys. Rev. B 59, 2070 (1999). 70.Burkard G, Loss D, and DiVincenzo DP, Phys. Rev. B 59, 2070 (1999). 71. Recher P, Nilsson J, Burkard G, Trauzettel B. Bound states and magnetic field induced valley splitting in gate-tunable graphene quantum dots. Physical Review B. 2009 Feb;79(8). 72.Svore KM, Terhal BM, and DiVincenzo DP, Phys. Rev. A 72, 022317 (2005). 73.Ando T, J. Phys. Soc. Jpn. 69, 1757 (2000). 74. Huertas-Hernando D, Guinea F, and Brataas A, Phys. Rev. B 74, 155426 (2006). 75. Bulaev DV, Trauzettel B, and Loss D, Phys. Rev. B 77, 235301 (2008). 76. Kuemmeth F, I lani S, Ralph D, and McEuen PL, Nature 452, 448 (2008). 77.Huertas-Hernando D, Guinea F, and Brataas A, Phys. Rev. B 74, 155426 (2006). 78. Petta J. R., et al. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States, Science 327, 669 (2010) 79 .Taylor, J. M. et al., Phys. Rev. Lett. 94, 236803 (2005). 80. Knill E, Laflamme R, Milburn GJ. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 2001 Jan;409(6816) :46-52. 81. Haffner H, Roos CF, Blatt R. Quantum computing with trapped ions. Physics Reports­ Review Section of Physics Letters. 2008 Dec;469( 4): 155-203. so UNCLASSIFIED/ /FOR errl@IAI::: Yliliii Qt11 X

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TRECHO 52 · PÁGINA FÍSICA 52

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 82. Bath J. e Turberfield A.J. [referências bibliográficas no original]. Nature Nanotechnology, vol. 2, maio 2007. 83. Watson JD, Crick FH. [referências bibliográficas no original]. Nature. 25 abr 1953;171(4356):737-8. 84. Sanger F, Nicklen S, Coulson AR. [referências bibliográficas no original]. Proc Natl Acad Sci US A. dez 1977;74(12):5463-7. 85. Saiki RK, Scharf S, Faloona F, Mullis KB, Horn GT, Erlich HA, et al. [referências bibliográficas no original]. Science. 20 dez 1985;230(4732):1350-4. 86. Mao, C e Yu, H. [referências bibliográficas no original]. SPIE Newsroom, abril de 2006. 87. Seeman NC. [referências bibliográficas no original]. J. Theor. Biol. 99, 237-47, 1982. 88. Seeman, N. C. [referências bibliográficas no original]. J. Biomol. Struct. Dyns 8, 573-581, 1990. 89. Carbone A., Seeman NC. [referências bibliográficas no original]. Aspects of Molecular Computing, 61-83. 90. Winfree E, Yang X, Seeman NC (1998b) [referências bibliográficas no original]. Em: Landweber LF, Baum EB, editores. DNA-based computers II. Providence, Rhode Island: American Mathematical Society, pp. 191-213. 91. Winfree E. [referências bibliográficas no original]. Relatório técnico CS-TR:1998.22. Pasadena, Califórnia: California Institute of Technology, 1998. 92. Wang H. [referências bibliográficas no original]. Bell System Tech J 40: 1-42, 1961. 93. Wang H. [referências bibliográficas no original]. Relatório técnico BL-30 (II-15). Cambridge, Massachusetts: Harvard Computation Laboratory, 1962. 94. Winfree E., Liu F., Wenzler LA, Seeman NC. [referências bibliográficas no original]. Nature, vol. 394, 6 de agosto de 1998. 95. Winfree, E. [referências bibliográficas no original]. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics 11: 263-270, 2000. 96. Winfree E. e Bekbolatov R. [referências bibliográficas no original]. Em: Proceedings of the Ninth International Meeting on DNA Based Computers. Madison, Wisconsin, junho de 2003. 97. Reif, J.H., Sahu, S. e Yin, P. [referências bibliográficas no original], Nanotechnology Science and Computation (Chen, J. et al., eds.), Springer-Verlag, Berlim Heidelberg, pp. 79-103, 2006. 98. Fujibayashi, K., Murata, S. [referências bibliográficas no original], DNA Computing 10 (Ferretti et al., eds.), LNCS 3384, Springer-Verlag Berlim Heidelberg, pp. 113-127, 2005. 99. Fujibayashi, Yu Zhang D., Winfree E., Murata S. [referências bibliográficas no original]. Nat Comput. Springer, 2008. 100. Adleman, L.: [referências bibliográficas no original], Science, vol. 266, pp. 1021-1024, 1994. 101. Winfree, E.: [referências bibliográficas no original], tese de doutorado, California Institute of Technology, 1998. 102. Winfree, E., Yang, X. e Seeman, N. C.: [referências bibliográficas no original], DNA based Computers 2, DIMACS Series in Discrete Mathematics and Theoretical Computer Science, vol. 44, pp. 191-213, 1999. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 51

Nota editorial: Página de referências bibliográficas 82 a 102 do estudo da DIA (2010), sobre máquinas de DNA, origami, automontagem algorítmica e computação molecular.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL YSE OHL¥ 82. Bath J. and Turberfield A.J. DNA nanomachines. Nature Nanotechnology, VOL 2 : MAY 2007. 83. Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature . 1953 Apr 25;171(4356):737-8. 84. Sanger F, Nicklen S, Coulson AR. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proc Natl Acad Sci US A. 1977 Dec;74(12):5463-7. 85. Saiki RK, Scharf S, Faloona F, Mullis KB, Horn GT, Erlich HA, et al. Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia. Science. 1985 Dec 20;230(4732) :1350-4. 86. Mao, C and Yu, H. Growing millimeter-sized DNA crystals. SPIE Newsroom, April 2006. 87 .Seeman NC . Nucleic acid junctions and lattices J. Theor . Biol. 99 237-47, 1982. 88. Seeman, N. C. De nova design of sequences for nucleic acid structural engineer ing. J. Biomol. Struct. Dyns 8, 573-581, 1990. 89.Carbone A., Seeman NC. Molecular Tiling and DNA Self-assembly. Aspects of Molecular Computing. 61-83, 90. Winfree E, Yang X, Seeman NC (1998b) Universal computation via self-assembly of DNA: Some theory and experiments. In: Landweber LF, Baum EB, editors. DNA­ based computers II. Providence, Rhode Island: American Mathematical Society. pp. 191-213. 91. Winfree E Simulat ions of computing by self-assembly. Technical report CS­ TR: 1998.22. Pasadena, California: California Inst itute of Technology. 1998. 92. Wang H. Proving theorems by pattern recognition II. Bell System Tech J 40: 1-42, 1961. 93. Wang H An unsolvable problem on dom inoes. Technica l report BL-30 (II-15). Cambridge, Massachusetts: Harvard Computation Laboratory.1962. 94. Winfree E., Liu F., Wenzler LA, Seeman N C. Design and Self-Assembly of Two­ Dimens ional DNA Crystals, Nature, VOL 394 6 AUGUST, 1998. 95. Winfree, E. Algorithmic Self-Assembly of DNA: Theoretica l Motivations and 2D Assembly Experiments. Journa l of Biomolecu lar Structure and Dynamics 11: 263 - 270, 2000. 96. Winfree E. and Bekbolatov R. Proofreading tile sets: Error correction for algorithmic self-assembly. In Proceedings of the Ninth International Meeting on DNA Based Computers. Madison, Wisconsin, June 2003. 97. Reif, J.H., Sahu, S. and Yin, P. "Compact Error-Resilient Computational DNA Tilin gs," Nanotechnology Science and Computation (Chen, J. et al. Eds.), Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, pp. 79-103, 2006. 98. Fujibayashi, K., Murata, S. "A method of error suppression for self-assembling DNA tiles," DNA Computing 10 (Ferrett i et al. Eds.), LNCS 3384, Springer- Verlag Berlin Heidelberg, pp. 113-127, 2005. 99. Fujibayashi, Yu Zhang D., Winfree E., Murata S. Error Suppression Mechanisms for DNA Tile Self-Assembly and their Simulations. Nat Comput. Springer, 2008 . 100. Adleman, L.: Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems, Science, Vol.266, pp.1021 -1024, 1994. 101. Winfree, E.: Algorithmic Self-Assembly of DNA, Ph.D Thesis, California Institute of Technology, 1998. 102. Winfree, E., Yang, X. and Seeman, N. C.: Universal Computation via Self -assembly of DNA : Some Theory and Experiments, DNA based Computers 2, DIMACS Series in Discrete Mathematics and Theoretical Computer Science, Vol.44, pp.191- 213,1999. UNCLASSIFIED//FOR: en ILIA[ USE ONLY 51

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TRECHO 53 · PÁGINA FÍSICA 53

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 103. Winfree, E., Liu, F., Wenzler, L., Seeman, N.C.: [referências bibliográficas no original], Nature, vol. 394, pp. 539-544, 1998. 104. Vários artigos relacionados à supressão de erros em ladrilhos de DNA são apresentados em: Preliminary Proceedings of Tenth International Meeting on DNA Computing (editores C. Ferretti et al.), Milão, 2004. 105. Somei, K., Kaneda, S., Fujii, T. e S. Murata, [referências bibliográficas no original], DNA Computing 11 (A. Carbone e N.A. Pierce, eds.), LNCS 3892, Springer-Verlag Berlim Heidelberg, pp. 325-335, 2006. 106. Somei, K., Kaneda, S., Fujii, T. e S. Murata, [referências bibliográficas no original], DNA Computing 11 (A. Carbone e N.A. Pierce, eds.), LNCS 3892, Springer-Verlag Berlim Heidelberg, pp. 325-335, 2006. 107. Huang, M.C., Ye, H., Kuan, Y.K., Li, M.H. e Ying, J.Y. (2009) [referências bibliográficas no original]. Lab. Chip, 9, 276-285. 108. Mueller, S., Coleman, J.R. e Wimmer, E. (2009) [referências bibliográficas no original]. Chem. Biol., 16, 337-347. 109. Lee CC, Snyder TM, Quake SR. [referências bibliográficas no original]. Nucleic Acids Res. maio 2010;38(8):2514-21. Publicação eletrônica em 21 fev 2010. 110. LaBean T.H., Yan H., Kopatsch J., Liu F., Winfree E, Reif J.H. e Seeman N.C. [referências bibliográficas no original]. Journal of the American Chemical Society, 122: 1848-1860, 2000. 111. Yan H, Zhang X, Shen Z, Seeman NC. [referências bibliográficas no original]. Nature. 3 jan 2002;415(6867):62-5. 112. Rothemund PW. [referências bibliográficas no original]. Nature. 16 mar 2006;440(7082):297-302. 113. Shih W.M., Quispe J.D. e Joyce G.F. [referências bibliográficas no original]. Nature, 427(6453):618-621, 2004. 114. Rothemund P.W.K., [referências bibliográficas no original], Nanotechnology: Science and Computation, pp. 3-21 (2006). 115. Seelig, G., Soloveichik, D., Zhang, D.Y. e Winfree, E., [referências bibliográficas no original], Science, 314, pp. 1585-1588, 2006. 116. Adleman, L.: [referências bibliográficas no original], Science, vol. 266, pp. 1021-1024, 1994. 117. N. C. Seeman, C. D. Mao, T. LaBean e J. H. Reif, [referências bibliográficas no original], Biophys. J., pt. 2, vol. 80, n. 1, p. 45, jan. 2001. 118. Stojanovic MN, Stefanovic D. [referências bibliográficas no original]. Journal of the American Chemical Society. jun 2003;125(22):6673-6. 119. Stojanovic, M.N., Nikic, D.B. e Stefanovic, D. [referências bibliográficas no original]. J. Serb. Chem Soc. 68, 321-326 (2003). 120. Stojanovic MN, Stefanovic D. [referências bibliográficas no original]. Nat Biotechnol. set 2003;21(9):1069-74. 121. Stojanovic MN, Mitchell TE, Stefanovic D. [referências bibliográficas no original]. Journal of the American Chemical Society. abr 2002;124(14):3555-61. 122. Macdonald J, Li Y, Sutovic M, Lederman H, Pendri K, Lu WH, et al. [referências bibliográficas no original]. Nano Letters. nov 2006;6(11):2598-603. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 52

Nota editorial: Página de referências bibliográficas 103 a 122 do estudo da DIA (2010), sobre microfluídica, origami de DNA, circuitos enzimáticos e autômatos moleculares.

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI€1Ak Wlili QPILY 103. Winfree, E., Liu, F., Wenzler, L., Seeman, N.C.: Design and self-assembly of two­ dimensional DNA crystals, Nature, Vol. 394, pp.539-544, 1998. 104. Several papers related to error suppression of DNA tiles are presented in: Preliminary Proceedings of Tenth International Meeting on DNA Computing (Edtors. C. Ferretti, et. al), Milan, 2004. 105. Somei, K., Kaneda, S., Fujii, T., and S. Murata, "A microfluidic device for DNA tile self-assembly," DNA Computing 11 (A. Carbone and N.A. Pierce Eds.), LNCS 3892, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp. 325-335, 2006. 106. Somei, K., Kaneda, S., Fujii, T., and S. Murata, "A microfluidic device for DNA tile self-assembly," DNA Computing 11 {A. Carbone and N.A. Pierce Eds.), LNCS 3892, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp. 325-335, 2006. 107. Huang,M.C., Ye,H., Kuan,Y.K., Li,M.H. and Ying,J .Y. (2009) Integrated two-step gene synthesis in a microfluidic device. Lab. Chip, 9, 276-285. 108. Mueller,S., Coleman,J.R. and Wimmer,E. (2009) Putting synthesis into biology: a viral view of genetic engineering through de novo gene and genome synthesis. Chem. Biol., 16, 337-347. 109. Lee CC, Snyder TM, Quake SR. A microfluidic oligonucleotide synthesizer. Nucleic Acids Res. 2010 May;38(8):2514-21. Epub 2010 Feb 21. 110. LaBean T.H., Yan H., Kopatsch J., Liu F., Winfree E, Reif J.H., and Seeman N.C. Construction, analysis, ligation, and self-assembly of DNA triple crossover complexes. Journal of the American Chemical Society, 122: 1848-1860, 2000. 111. Yan H, Zhang X, Shen Z, Seeman NC. A robust DNA mechanical device controlled by hybridization topology. Nature. 2002 Jan 3;415(6867) :62-5. 112. Rothemund PW. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 2006 Mar 16;440(7082):297-302. 113. Shih W.M., Quispe J.D., and . Joyce G.F. A 1.7-kil obase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron . Nature, 427(6453) :618-621, 2004. 114. Rothemund P.W.K., Scaffolded DNA origami: From generalized multicrossovers to polygonal networks Nanotechnology: Science and Computation, pp 3-21 (2006). 115. Seelig, G., Soloveichi, D., Zhang, D.Y. and Winfree, E., "Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits," Science, 314, pp. 1585-1588, 2006. 116. Adleman, L.: Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems, Science, Vol.266, pp.1021-1024, 1994. 117. N. C. Seeman, C. D. Mao, T. LaBean, and J. H. Reif, "XOR operations by algorithmic assembly of DNA tiles," Biophys . J., pt. 2, vol. 80, no. 1, p. 45, Jan. 2001. 118. Stojanovic MN, Stefanovic D. Deoxyribozyme-based half-adder. Journal of the American Chemical Society. 2003 Jun;125(22):6673-6. 119. Stojanovic, M.N., Nikic, D.B. and Stefanivic, D. Impl icit OR tiling of deoxyribozymes: construction of molecular scale OR, NAND and four input logic gates. J. Serb. Chem Soc. 68, 321-326 (2003). 120. Stojanovic MN, Stefanovic D. A deoxyribozyme-based molecu lar automaton. Nat Biotechnol. 2003 Sep;21(9):1069-74. 121. Stojanovic MN, Mitchell TE, Stefanovic D. Deoxyribozyme -based logic gates. Journal of the American Chemical Society. 2002 Apr;124(14):3555-61. 122. Macdonald J, Li Y, Sutovic M, Lederman H, Pendri K, Lu WH, et al. Medium scale integration of molecular logic gates in an automaton. Nano Letters. 2006 Nov;6(11) :2598-603. UNCLASSIFIED/ j P"OR. eP"P"ltlAL l:ISE 8Ptllf 52

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TRECHO 54 · PÁGINA FÍSICA 54

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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 123. Lund K, Manzo AJ, Dabby N, Michelotti N, Johnson-Buck A, Nangreave J, et al. [referências bibliográficas no original]. Nature. 13 maio 2010;465(7295):206-10. 124. Li JWJ, Tan WH. [referências bibliográficas no original]. Nano Letters. abr 2002;2(4):315-8. 125. Mao CD, Sun WQ, Shen ZY, Seeman NC. [referências bibliográficas no original]. Nature. jan 1999;397(6715):144-6. 126. Yurke B, Turberfield AJ, Mills AP Jr., Simmel FC, Neumann JL. [referências bibliográficas no original]. Nature. 10 ago 2000;406(6796):605-8. 127. Tian Y, He Y, Chen Y, Yin P, Mao CD. [referências bibliográficas no original]. Angewandte Chemie-International Edition. 2005;44(28):4355-8. 128. Kang HZ, Liu HP, Phillips JA, Cao ZH, Kim Y, Chen Y, et al. [referências bibliográficas no original]. Nano Letters. jul 2009;9(7):2690-6. 129. Gu HZ, Chao J, Xiao SJ, Seeman NC. [referências bibliográficas no original]. Nature. maio 2010;465(7295):202-U86. 130. Pei R, Taylor SK, Stefanovic D, Rudchenko S, Mitchell TE, Stojanovic MN. [referências bibliográficas no original]. Journal of the American Chemical Society. out 2006;128(39):12693-9. NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL] 53

Nota editorial: Última página de referências bibliográficas (123 a 130) do estudo da DIA (2010), sobre robôs moleculares de DNA, nanomotores e montagens policatalíticas.

Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FAR AEEICIAl 1::181!! ertt I 123. Lund K, Manzo AJ, Dabby N, Michelotti N, Johnson-Buck A, Nangreave J, et al. Molecular robots guided by prescriptive landscapes . Nature . 2010 May 13;465(7295):206-10. 124. Li JWJ, Tan WH. A single DNA molecule nanomotor. Nano Letters . 2002 Apr;2(4): 315-8. 125. Mao CD, Sun WQ, Shen ZY, Seeman NC. A nanomechanical device based on the B­ Z trans iti on of DNA. Nature. 1999 Jan;397(6715):144 -6. 126. Yurke B, Turberfield AJ, Mills AP, Jr., Simme l FC, Neumann JL. A DNA-fuelled molecular machine made of DNA. Nature. 2000 Aug 10;406(6796) :605-8. 127. Tian Y, He Y, Chen Y, Yin P, Mao CD. Molecular devices - A DNAzyme that walks processively and autonomously along a one-d imensional track. Angewandte Chemie-International Edition. 2005;44(28) :4355-8 . 128. Kang HZ, Liu HP, Phillips JA, Cao ZH, Kim Y, Chen Y, et al. Single-DNA Molecule Nanomotor Regulated by Photons. Nano Letters. 2009 Ju1;9(7):2690 -6. 129. Gu HZ, Chao J, Xiao SJ, Seeman NC. A proximity -based programmable DNA nanoscale assembly line. Nature. 2010 May;465(7295):202-U86. 130. Pei R, Taylor SK, Stefanovic D, Rudchenko S, Mitchell TE, Stojanov ic MN. Behavior of polycatalytic assemblies in a substrate-displaying matrix. Journa l of the America n Chemical Society. 2006 Oct; 128(39) : 12693 -9. UNCLASSIFIED// FOR OFFICIJ!IL U:!I!! f>HL\S 53

Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 54, contando a capa.

Datas e contexto documental

Acontecimento
10/12/2010 — Data de capa. ICOD: 10 de dezembro de 2010. Número do documento: DIA-08-1102-005.
Documento
10/12/2010 — Capa, página física 1.
Publicação
Não estabelecida — Documento da série DOW-UAP (código D150); data de liberação não registrada nesta ficha.

Origem e divulgação

Defense Intelligence Agency (DIA), Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4), Escritório de Alerta de Defesa, programa AAWSAP; autor com nome substituído por “AAP Person 73” · DOW-UAP-D150_AAWSAP-DIRD-Quantum-Computing-and-Utilizing-Organic-Molecules-in-Automation-Technology-December-10-2010.pdf

Páginas físicas 1 a 54; capa conferida.

Relatos relacionados e suas diferenças

Perguntas para continuar a investigação

  • Que uso a DIA fez das previsões de 10, 20 e 40 anos deste DIRD, e elas foram comparadas depois com o desenvolvimento real da computação quântica?
  • Por que um relatório sobre computação molecular com DNA integrou uma série de estudos do programa AAWSAP voltada a sistemas aeroespaciais avançados?

GEOGRAFIA DO CASO

Washington, D.C., EUA (sede da DIA)

Estudo técnico sem local de ocorrência; o relatório foi preparado para a DIA em Washington.

RASTRO DOCUMENTAL

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As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.

  1. DOW-UAP-D150_AAWSAP-DIRD-Quantum-Computing-and-Utilizing-Organic-Molecules-in-Automation-Technology-December-10-2010.pdf

    Páginas físicas 1 a 54: capa, expediente, sumário, resumo, introdução, computação quântica (pontos quânticos de grafeno e tecnologias inorgânicas), computadores de DNA, discussão, conclusão e referências (as páginas 1 a 27 são traduzidas neste dossiê)

    DOW · 54 páginas

Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.

UMA HISTÓRIA LEVA A OUTRA

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DIA, 2010: estudo do AAWSAP imagina a cabine de uma nave que controlaria a gravidade e voaria mais rápido que a luz

O relatório projeta uma cabine “provisória” para um veículo hipotético com controle sobre gravidade e inércia, seis graus de liberdade e velocidade acima da luz. O próprio autor chama suas previsões de “conjecturas informadas”, sem teoria verificada nem implementação, e diz que elas não foram publicadas nem debatidas com outros cientistas.

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Capa com selo da DIA, a indicação Defense Futures e o título sobre detecção de veículos hipersônicos.Capa de relatório oficial

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DIA, 2010: estudo do AAWSAP recomenda como detectar veículos hipersônicos, inclusive os “projetados para serem indetectáveis”

Relatório de novembro de 2010 do programa AAWSAP revisa como radar, câmeras, infravermelho, lidar, infrassom e sismógrafos detectam objetos acima de Mach 5, de meteoros a mísseis. Termina com quatro recomendações para as três décadas seguintes, entre elas um banco de assinaturas de esteira para identificar aeronaves “novas e desconhecidas” e a busca de veículos “projetados para serem indetectáveis”.

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Desenho em perspectiva de um veículo hipersônico alongado, com esquemas coloridos de fluxos de energia e um diagrama de blocos do motor magneto-plasma-químicoFigura técnica

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DIA, 2010: estudo do AAWSAP avalia motores e energia por plasma e MHD e vê uso próximo só na reentrada e no espaço

O DIRD de 21 de novembro de 2010 revisa propulsão e geração de energia por plasma e magnetohidrodinâmica para veículos aeroespaciais. Conclui que o MHD em ar frio, abaixo de Mach 12, é impraticável, e vê aplicações próximas na reentrada, em planadores hipersônicos e na propulsão elétrica de espaçonaves.

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