分子コンピューティングとは何ですか？

分子計算は、計算問題を解決する手段として個々の原子または分子を使用する計算スキームの総称です。 分子コンピューティングはDNAコンピューティングに最も頻繁に関連付けられています。これは最も進歩しているためですが、量子コンピューティングまたは分子論理ゲートを指すこともあります。 分子コンピューティングのすべての形態は現在初期段階にありますが、長期的には、より高いレベルのパフォーマンスに対する障壁に苦しむ従来のシリコンコンピューターを置き換える可能性があります。

1キログラムの炭素には、5 x 10 ²⁵個の原子が含まれています。 単一のビットを保存したり、計算操作を実行するために100個の原子しか使用できないと想像してください。 大規模な並列処理を使用して、わずか1キログラムの分子コンピューティングでは、1秒あたり10 ²⁷操作以上を処理でき、1秒あたり約10 ¹⁷操作で動作する今日の最高のスーパーコンピューターよりも10億倍以上高速です。 非常に優れた計算能力により、今日では想像もできない計算とシミュレーションの偉業を達成することができました。

分子コンピューターのさまざまな提案は、その動作原理によって異なります。 DNAコンピューティングでは、DNAがソフトウェアとして機能し、酵素がハードウェアとして機能します。 カスタム合成されたDNA鎖は、試験管内で酵素と結合され、結果の出力鎖の長さに応じて、解決策を導き出すことができます。 DNA計算は潜在的に非常に強力ですが、大きな欠点があります。 DNA計算は普遍的ではありません。つまり、原理的にも解決できない問題があります。 計算の問題に対してyesまたはnoの答えのみを返すことができます。 2002年、イスラエルの研究者は、毎秒330兆回の操作を実行できるDNAコンピューターを作成しました。これは、当時の最速のPCの速度の100,000倍以上の速度です。

分子計算の別の提案は、量子計算です。 量子コンピューティングでは、量子効果を利用して計算を実行しますが、詳細は複雑です。 量子計算は、互いに絡み合った状態にロックされた過冷却原子に依存しています。 大きな課題は、計算要素（キュービット）の数が増えると、量子コンピューターを外部の物質から隔離することが次第に難しくなり、デコヒーレンスを引き起こし、量子効果を排除してコンピューターを古典的な状態に戻すことです。 これは計算を台無しにします。 量子コンピューティングはまだ実用的なアプリケーションに発展しているかもしれませんが、多くの物理学者とコンピューター科学者は懐疑的です。

さらに高度な分子コンピューターには、ナノスケールの論理ゲートまたはナノ電子部品が含まれ、従来の汎用的な制御された方法で処理が行われます。 残念ながら、現在、このようなコンピューターを製造するために必要な製造能力が不足しています。 この種の分子コンピューターを実現するには、各原子を望ましい構成に配置できるナノスケールのロボット工学が必要です。 このタイプのロボット工学を開発するための予備的な取り組みが進行中ですが、大きなブレークスルーには数十年かかる可能性があります。