Komputasi molekuler adalah istilah umum untuk skema komputasi apa pun yang menggunakan atom atau molekul individu sebagai sarana untuk memecahkan masalah komputasi. Komputasi molekuler paling sering dikaitkan dengan komputasi DNA, karena itu telah membuat kemajuan paling besar, tetapi juga dapat merujuk ke komputasi kuantum atau gerbang logika molekuler. Semua bentuk komputasi molekuler saat ini masih dalam masa pertumbuhan, tetapi dalam jangka panjang kemungkinan akan menggantikan komputer silikon tradisional, yang mengalami hambatan untuk tingkat kinerja yang lebih tinggi.
Satu kilogram karbon mengandung 5 x 1025 atom. Bayangkan jika kita hanya dapat menggunakan 100 atom untuk menyimpan satu bit atau melakukan operasi komputasi. Menggunakan paralelisme masif, komputasi molekuler dengan berat hanya satu kilogram dapat memproses lebih dari 1027 operasi per detik, lebih dari satu miliar kali lebih cepat daripada superkomputer terbaik saat ini, yang beroperasi pada sekitar 1017 operasi per detik. Dengan kekuatan komputasi yang jauh lebih besar, kami dapat mencapai prestasi perhitungan dan simulasi yang tidak terbayangkan bagi kami saat ini.
Proposal yang berbeda untuk komputer molekuler berbeda dalam prinsip operasinya. Dalam komputasi DNA, DNA berfungsi sebagai perangkat lunak sedangkan enzim berfungsi sebagai perangkat keras. Untaian DNA yang disintesis secara khusus digabungkan dengan enzim dalam tabung reaksi, dan tergantung pada panjang untai keluaran yang dihasilkan, sebuah solusi dapat diturunkan. Perhitungan DNA sangat kuat dalam potensinya, tetapi memiliki kelemahan utama. Perhitungan DNA bersifat non-universal, artinya ada masalah yang tidak dapat dipecahkan, bahkan pada prinsipnya. Itu hanya dapat mengembalikan jawaban ya-atau-tidak untuk masalah komputasi. Pada tahun 2002, para peneliti di Israel menciptakan komputer DNA yang dapat melakukan 330 triliun operasi per detik, lebih dari 100,000 kali lebih cepat dari kecepatan PC tercepat saat itu.
Proposal lain untuk komputasi molekuler adalah komputasi kuantum. Komputasi kuantum memanfaatkan efek kuantum untuk melakukan komputasi, dan detailnya rumit. Komputasi kuantum bergantung pada atom superdingin yang terkunci dalam keadaan terjerat satu sama lain. Tantangan utama adalah bahwa ketika jumlah elemen komputasi (qubit) meningkat, semakin sulit untuk mengisolasi komputer kuantum dari materi di luar, menyebabkannya terurai, menghilangkan efek kuantum dan memulihkan komputer ke keadaan klasik. Ini merusak perhitungan. Komputasi kuantum mungkin belum dikembangkan menjadi aplikasi praktis, tetapi banyak fisikawan dan ilmuwan komputer tetap skeptis.
Komputer molekuler yang bahkan lebih canggih akan melibatkan gerbang logika skala nano atau komponen nanoelektronik yang melakukan pemrosesan dengan cara yang lebih konvensional, universal, dan terkontrol. Sayangnya, saat ini kami tidak memiliki kemampuan manufaktur yang diperlukan untuk membuat komputer seperti itu. Robotika skala nano yang mampu menempatkan setiap atom dalam konfigurasi yang diinginkan akan diperlukan untuk mewujudkan jenis komputer molekuler ini. Upaya awal untuk mengembangkan jenis robotika ini sedang berlangsung, tetapi terobosan besar bisa memakan waktu puluhan tahun.