Hvad er molekylær computing?

Molekylær computing er en generisk betegnelse for ethvert beregningsskema, der bruger individuelle atomer eller molekyler som et middel til at løse beregningsproblemer. Molekylær computing er oftest forbundet med DNA-computing, fordi det har gjort mest fremskridt, men det kan også henvise til kvantecomputering eller molekylære logiske porte. Alle former for molekylær computing er i øjeblikket i deres barndom, men på lang sigt vil det sandsynligvis erstatte traditionelle siliciumcomputere, som lider af barrierer for højere ydeevne.

Et enkelt kilogram kul indeholder 5 x 10 ²⁵ atomer. Forestil dig, hvis vi kun kunne bruge 100 atomer til at gemme en enkelt bit eller udføre en beregningsoperation. Ved hjælp af massiv parallelisme kan en molekylær computing, der vejer kun et kilogram, behandle mere end 10 ²⁷ operationer i sekundet, mere end en milliard gange hurtigere end nutidens bedste supercomputer, der fungerer med ca. 10 ¹⁷ operationer i sekundet. Med så meget større regnekraft kunne vi opnå bedrifter med beregning og simulering, som vi ikke kan forestille os i dag.

Forskellige forslag til molekylære computere varierer i principperne for deres funktion. Ved DNA-beregning fungerer DNA som softwaren, hvorimod enzymer fungerer som hardware. Brugerdefinerede syntetiserede DNA-strenge kombineres med enzymer i et reagensglas, og afhængigt af længden af ​​den resulterende outputstreng kan en opløsning afledes. DNA-beregning er ekstremt kraftfuld i sit potentiale, men lider under store ulemper. DNA-beregning er ikke-universel, hvilket betyder, at der er problemer, den ikke selv i princippet kan løse. Det kan kun returnere ja-eller-nej svar på beregningsproblemer. I 2002 oprettede forskere i Israel en DNA-computer, der kunne udføre 330 billioner operationer pr. Sekund, mere end 100.000 gange hurtigere end hastigheden på den hurtigste pc på det tidspunkt.

Et andet forslag til molekylær computing er kvanteberegning. Kvanteberegning drager fordel af kvanteeffekter til at udføre beregning, og detaljerne er komplicerede. Kvanteberegning afhænger af superkølede atomer, der er låst i sammenfiltrede tilstande med hinanden. En større udfordring er, at når antallet af beregningselementer (qubits) øges, bliver det gradvis vanskeligere at isolere kvantecomputeren fra stof udefra, hvilket får den til at decohere, fjerne kvanteeffekter og gendanne computeren til en klassisk tilstand. Dette ødelægger beregningen. Kvanteberegning kan endnu være udviklet til praktiske anvendelser, men mange fysikere og computerforskere er fortsat skeptiske.

En endnu mere avanceret molekylær computer involverer nanoskala logiske porte eller nanoelektroniske komponenter, der udfører behandling på en mere konventionel, universal og kontrolleret måde. Desværre mangler vi i øjeblikket den fremstillingsevne, der er nødvendig for at fremstille en sådan computer. Nanoskala-robotik, der er i stand til at placere hvert atom i den ønskede konfiguration, ville være nødvendigt for at realisere denne type molekylær computer. Foreløbige bestræbelser på at udvikle denne type robotik er i gang, men et stort gennembrud kan tage årtier.