Wat is moleculair computergebruik?

Moleculair computergebruik is een generieke term voor elk berekeningsschema dat individuele atomen of moleculen gebruikt als een manier om computerproblemen op te lossen. Moleculair computergebruik wordt het vaakst geassocieerd met DNA-computergebruik, omdat dat de meeste vooruitgang heeft geboekt, maar het kan ook verwijzen naar quantum computing of moleculaire logische poorten. Alle vormen van moleculair computergebruik staan ​​momenteel in de kinderschoenen, maar zullen op de lange termijn waarschijnlijk de traditionele siliciumcomputers vervangen, die hindernissen hebben voor hogere prestatieniveaus.

Een enkele kilogram koolstof bevat 5 x 10 ²⁵ atomen. Stel je voor dat we slechts 100 atomen zouden kunnen gebruiken om een ​​enkel bit op te slaan of een rekenbewerking uit te voeren. Met behulp van enorm parallellisme kan een moleculaire computer met een gewicht van slechts een kilogram meer dan 10 ²⁷ bewerkingen per seconde verwerken, meer dan een miljard keer sneller dan de beste supercomputer van vandaag, die werkt met ongeveer 10 ¹⁷ bewerkingen per seconde. Met zoveel grotere rekenkracht zouden we vandaag voor ons onvoorstelbare reken- en simulatiewaarden kunnen realiseren.

Verschillende voorstellen voor moleculaire computers variëren in de principes van hun werking. In DNA-computing fungeert DNA als software, terwijl enzymen als hardware dienen. Op maat gesynthetiseerde DNA-strengen worden gecombineerd met enzymen in een reageerbuis en afhankelijk van de lengte van de resulterende outputstreng kan een oplossing worden afgeleid. DNA-berekening is zeer krachtig in zijn potentieel, maar heeft grote nadelen. DNA-berekening is niet-universeel, wat betekent dat er problemen zijn die zelfs in principe niet kunnen worden opgelost. Het kan alleen ja-of-nee-antwoorden op computerproblemen retourneren. In 2002 creëerden onderzoekers in Israël een DNA-computer die 330 biljoen operaties per seconde kon uitvoeren, meer dan 100.000 keer sneller dan de snelheid van de snelste pc op dat moment.

Een ander voorstel voor moleculair computergebruik is quantum computing. Quantum computing maakt gebruik van kwantumeffecten om berekeningen uit te voeren, en de details zijn ingewikkeld. Quantum computing hangt af van onderkoelde atomen die in elkaar verstrikt zijn. Een grote uitdaging is dat naarmate het aantal computerelementen (qubits) toeneemt, het steeds moeilijker wordt om de kwantumcomputer te isoleren van materie aan de buitenkant, waardoor deze ontcijfert, kwantumeffecten worden geëlimineerd en de computer in een klassieke staat wordt hersteld. Dit verpest de berekening. Quantum computing kan nog worden ontwikkeld tot praktische toepassingen, maar veel natuurkundigen en computerwetenschappers blijven sceptisch.

Een nog geavanceerdere moleculaire computer zou logische poorten op nanoschaal of nano-elektronische componenten omvatten die de verwerking op een meer conventionele, universele en gecontroleerde manier uitvoeren. Helaas ontbreekt het ons momenteel aan de productiecapaciteit die nodig is om een ​​dergelijke computer te fabriceren. Robotica op nanoschaal die elk atoom in de gewenste configuratie kan plaatsen, zou nodig zijn om dit type moleculaire computer te realiseren. De voorbereidende inspanningen om dit soort robotica te ontwikkelen zijn aan de gang, maar een grote doorbraak kan decennia duren.