Was ist Molekulares Rechnen?
Molekulares Rechnen ist ein Oberbegriff für jedes Rechenschema, das einzelne Atome oder Moleküle zur Lösung von Rechenproblemen verwendet. Molekulares Rechnen wird am häufigsten mit DNA-Rechnen in Verbindung gebracht, da dies den größten Fortschritt gebracht hat, es kann sich aber auch um Quanten-Rechnen oder molekulare Logikgatter handeln. Alle Formen des Molecular Computing stecken derzeit noch in den Kinderschuhen. Langfristig dürften sie jedoch die herkömmlichen Siliziumcomputer ersetzen, die höhere Leistungsniveaus behindern.
Ein einziges Kilogramm Kohlenstoff enthält 5 x 10 25 Atome. Stellen Sie sich vor, wir könnten nur 100 Atome verwenden, um ein einzelnes Bit zu speichern oder eine Rechenoperation auszuführen. Mit massiver Parallelität könnte ein Molekularcomputer mit einem Gewicht von nur einem Kilogramm mehr als 10 27 Vorgänge pro Sekunde verarbeiten, mehr als eine Milliarde Mal schneller als der derzeit beste Supercomputer, der mit etwa 10 17 Vorgängen pro Sekunde arbeitet. Mit so viel größerer Rechenleistung konnten wir heute unvorstellbare Berechnungs- und Simulationsleistungen erzielen.
Unterschiedliche Vorschläge für Molekularcomputer unterscheiden sich in den Prinzipien ihres Betriebs. Beim DNA-Computing dient DNA als Software, während Enzyme als Hardware dienen. Kundenspezifisch synthetisierte DNA-Stränge werden mit Enzymen in einem Reagenzglas kombiniert, und abhängig von der Länge des resultierenden Ausgangsstrangs kann eine Lösung abgeleitet werden. DNA-Berechnungen sind äußerst leistungsfähig, weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Die DNA-Berechnung ist nicht universell, was bedeutet, dass es Probleme gibt, die sie selbst im Prinzip nicht lösen kann. Es können nur Ja- oder Nein-Antworten auf Rechenprobleme zurückgegeben werden. Im Jahr 2002 schufen Forscher in Israel einen DNA-Computer, der 330 Billionen Operationen pro Sekunde ausführen konnte, mehr als 100.000-mal schneller als die Geschwindigkeit des schnellsten PCs zu dieser Zeit.
Ein weiterer Vorschlag für das Molecular Computing ist das Quantencomputing. Quantum Computing nutzt Quanteneffekte, um Berechnungen durchzuführen, und die Details sind kompliziert. Das Quantencomputing hängt von unterkühlten Atomen ab, die in verschränkten Zuständen miteinander verbunden sind. Eine große Herausforderung besteht darin, dass es mit zunehmender Anzahl von Rechenelementen (Qubits) immer schwieriger wird, den Quantencomputer von der äußeren Materie zu isolieren, wodurch er sich löst, Quanteneffekte eliminiert und den Computer in einen klassischen Zustand zurückversetzt. Dies ruiniert die Berechnung. Das Quantencomputing mag sich noch zu einer praktischen Anwendung entwickeln, aber viele Physiker und Informatiker bleiben skeptisch.
Ein noch fortschrittlicherer molekularer Computer würde nanoskalige Logikgatter oder nanoelektronische Komponenten beinhalten, die die Verarbeitung auf konventionellere, universellere und kontrolliertere Weise durchführen. Leider fehlt uns derzeit die Fertigungskapazität, um einen solchen Computer herzustellen. Eine nanoskalige Robotik, die in der Lage ist, jedes Atom in die gewünschte Konfiguration zu bringen, wäre notwendig, um diese Art von molekularem Computer zu realisieren. Vorbereitende Bemühungen zur Entwicklung dieser Art von Robotik sind im Gange, aber ein großer Durchbruch könnte Jahrzehnte dauern.