Molecular computing är en generisk term för varje beräkningsschema som använder individuella atomer eller molekyler som ett sätt att lösa beräkningsproblem. Molekylär beräkning är oftast förknippad med DNA-beräkning, eftersom det har gjort störst framsteg, men det kan också hänvisa till kvantberäkningar eller molekylära logiska grindar. Alla former av molekylär datoranvändning är för närvarande i sin linda, men kommer på sikt sannolikt att ersätta traditionella silikondatorer, som lider av hinder för högre prestandanivåer.
Ett enda kilo kol innehåller 5 x 1025 atomer. Föreställ dig om vi bara kunde använda 100 atomer för att lagra en enda bit eller utföra en beräkningsoperation. Genom att använda massiv parallellism kan en molekylär dator som väger bara ett kilogram bearbeta mer än 1027 operationer per sekund, mer än en miljard gånger snabbare än dagens bästa superdator, som arbetar med cirka 1017 operationer per sekund. Med så mycket större beräkningskraft skulle vi kunna uppnå prestationer av beräkning och simulering som är ofattbara för oss idag.
Olika förslag på molekylära datorer varierar i principerna för deras funktion. I DNA-beräkning fungerar DNA som programvaran medan enzymer fungerar som hårdvaran. Specialsyntetiserade DNA-strängar kombineras med enzymer i ett provrör, och beroende på längden på den resulterande strängen kan en lösning erhållas. DNA-beräkning är extremt kraftfull i sin potential, men lider av stora nackdelar. DNA-beräkning är icke-universell, vilket innebär att det finns problem som den inte ens i princip kan lösa. Det kan bara returnera ja-eller-nej-svar på beräkningsproblem. År 2002 skapade forskare i Israel en DNA-dator som kunde utföra 330 biljoner operationer per sekund, mer än 100,000 XNUMX gånger snabbare än hastigheten på den snabbaste datorn vid den tiden.
Ett annat förslag för molekylär beräkning är kvantberäkning. Kvantberäkning drar fördel av kvanteffekter för att utföra beräkningar, och detaljerna är komplicerade. Kvantberäkning beror på underkylda atomer som är låsta i intrasslade tillstånd med varandra. En stor utmaning är att när antalet beräkningselement (qubits) ökar, blir det allt svårare att isolera kvantdatorn från materia på utsidan, vilket gör att den bryter samman, eliminerar kvanteffekter och återställer datorn till ett klassiskt tillstånd. Detta förstör beräkningen. Kvantberäkningar kan ännu utvecklas till praktiska tillämpningar, men många fysiker och datavetare är fortfarande skeptiska.
En ännu mer avancerad molekylär dator skulle involvera logiska grindar i nanoskala eller nanoelektroniska komponenter som utför bearbetning på ett mer konventionellt, universellt och kontrollerat sätt. Tyvärr saknar vi för närvarande den tillverkningskapacitet som krävs för att tillverka en sådan dator. Robotik i nanoskala som kan placera varje atom i den önskade konfigurationen skulle vara nödvändig för att förverkliga denna typ av molekylär dator. Preliminära ansträngningar för att utveckla denna typ av robotik pågår, men ett stort genombrott kan ta årtionden.