Hva er molekylær databehandling?
Molekylær databehandling er en generisk betegnelse for ethvert beregningsskjema som bruker individuelle atomer eller molekyler som et middel til å løse beregningsproblemer. Molekylær databehandling er hyppigst assosiert med DNA-databehandling, fordi det har gjort mest fremgang, men det kan også referere til kvanteberegning eller molekylære logiske porter. Alle former for molekylær databehandling er for tiden i sin spede begynnelse, men på lang sikt vil det sannsynligvis erstatte tradisjonelle silisiumdatamaskiner, som har barrierer for høyere ytelsesnivå.
En enkelt kilo karbon inneholder 5 x 10 25 atomer. Tenk om vi bare kunne bruke 100 atomer til å lagre en enkelt bit eller utføre en beregningsoperasjon. Ved å bruke massiv parallellisme kan en molekylær beregning som bare veier et kilo behandle mer enn 10 27 operasjoner per sekund, mer enn en milliard ganger raskere enn dagens beste superdatamaskin, som opererer med omtrent 10 17 operasjoner per sekund. Med så mye større regnekraft, kunne vi oppnå bråk med beregning og simulering utenkelig for oss i dag.
Ulike forslag til molekylære datamaskiner varierer i prinsippene for deres drift. I DNA-beregning fungerer DNA som programvare mens enzymer fungerer som maskinvare. Tilpassede syntetiserte DNA-tråder er kombinert med enzymer i et reagensrør, og avhengig av lengden på den resulterende utgangstrengen, kan en løsning avledes. DNA-beregning er ekstremt kraftig i sitt potensiale, men lider av store ulemper. DNA-beregning er ikke-universell, noe som betyr at det er problemer den ikke selv i prinsippet kan løse. Det kan bare returnere ja-eller-nei-svar på beregningsproblemer. I 2002 skapte forskere i Israel en DNA-datamaskin som kunne utføre 330 billioner operasjoner per sekund, mer enn 100 000 ganger raskere enn hastigheten på den raskeste PC den gangen.
Et annet forslag for molekylær databehandling er kvanteberegning. Kvanteberegning drar fordel av kvanteeffekter for å utføre beregning, og detaljene er kompliserte. Kvanteberegning avhenger av superkjølte atomer som er låst i sammenfiltrede tilstander med hverandre. En stor utfordring er at etter hvert som antall beregningselementer (qubits) øker, blir det gradvis vanskeligere å isolere kvantecomputeren fra materien på utsiden, noe som får den til å kobles sammen, eliminere kvanteeffekter og gjenopprette datamaskinen til en klassisk tilstand. Dette ødelegger beregningen. Kvanteberegning kan ennå være utviklet til praktiske bruksområder, men mange fysikere og informatikere er fortsatt skeptiske.
En enda mer avansert molekylær datamaskin vil involvere nanoskala logiske porter eller nanoelektroniske komponenter som utfører prosessering på en mer konvensjonell, universell og kontrollert måte. Dessverre mangler vi foreløpig produksjonsevnen som er nødvendig for å fremstille en slik datamaskin. Nanoskala-robotikk som er i stand til å plassere hvert atom i ønsket konfigurasjon ville være nødvendig for å realisere denne typen molekylær datamaskiner. Foreløpig innsats for å utvikle denne typen robotikk er i gang, men et stort gjennombrudd kan ta flere tiår.