Cos'è il Molecular Computing?
Il calcolo molecolare è un termine generico per qualsiasi schema computazionale che utilizza singoli atomi o molecole come mezzo per risolvere i problemi computazionali. Il calcolo molecolare è più frequentemente associato al calcolo del DNA, perché ha fatto il maggior progresso, ma può anche riferirsi al calcolo quantistico o alle porte della logica molecolare. Tutte le forme di elaborazione molecolare sono attualmente agli inizi, ma a lungo andare probabilmente sostituiranno i tradizionali computer al silicio, che presentano ostacoli a livelli più elevati di prestazioni.
Un singolo chilogrammo di carbonio contiene 5 x 10 25 atomi. Immagina se potessimo usare solo 100 atomi per memorizzare un singolo bit o eseguire un'operazione computazionale. Utilizzando un parallelismo massiccio, un calcolo molecolare che pesa solo un chilogrammo potrebbe elaborare più di 10 27 operazioni al secondo, oltre un miliardo di volte più veloce del miglior supercomputer di oggi, che opera a circa 10 17 operazioni al secondo. Con un potere computazionale molto maggiore, potremmo raggiungere talenti di calcolo e simulazione inimmaginabili per noi oggi.
Diverse proposte di computer molecolari variano nei principi del loro funzionamento. Nel calcolo del DNA, il DNA funge da software mentre gli enzimi fungono da hardware. I filamenti di DNA sintetizzati su misura vengono combinati con enzimi in una provetta e, a seconda della lunghezza del filamento di uscita risultante, è possibile derivare una soluzione. Il calcolo del DNA è estremamente potente nel suo potenziale, ma presenta gravi inconvenienti. Il calcolo del DNA non è universale, nel senso che ci sono problemi che non può, neanche in linea di principio, risolvere. Può solo restituire risposte sì o no a problemi computazionali. Nel 2002, i ricercatori israeliani hanno creato un computer a DNA in grado di eseguire 330 trilioni di operazioni al secondo, oltre 100.000 volte più veloci della velocità del PC più veloce al momento.
Un'altra proposta per il calcolo molecolare è il calcolo quantistico. Il calcolo quantistico sfrutta gli effetti quantistici per eseguire il calcolo e i dettagli sono complicati. Il calcolo quantistico dipende da atomi super raffreddati bloccati in stati intrecciati tra loro. Una delle maggiori sfide è che con l'aumentare del numero di elementi computazionali (qubit), diventa progressivamente più difficile isolare il computer quantistico dalla materia all'esterno, facendolo decadere, eliminando gli effetti quantistici e riportando il computer a uno stato classico. Questo rovina il calcolo. Il calcolo quantistico può ancora essere sviluppato in applicazioni pratiche, ma molti fisici e scienziati informatici rimangono scettici.
Un computer molecolare ancora più avanzato coinvolgerebbe porte logiche su scala nanometrica o componenti nanoelettronici che conducono l'elaborazione in un modo più convenzionale, universale e controllato. Purtroppo al momento non disponiamo delle capacità di produzione necessarie per fabbricare un simile computer. La robotica su scala nanometrica in grado di posizionare ciascun atomo nella configurazione desiderata sarebbe necessaria per realizzare questo tipo di computer molecolare. Sono in corso sforzi preliminari per sviluppare questo tipo di robotica, ma una svolta importante potrebbe richiedere decenni.