Co to jest przetwarzanie molekularne?

Obliczenia molekularne to ogólny termin na dowolny schemat obliczeniowy, w którym poszczególne atomy lub cząsteczki są stosowane do rozwiązywania problemów obliczeniowych. Obliczenia molekularne najczęściej kojarzą się z obliczeniami DNA, ponieważ osiągnęły one największy postęp, ale mogą również odnosić się do obliczeń kwantowych lub bramek logiki molekularnej. Wszystkie formy obliczeń molekularnych są obecnie w powijakach, ale na dłuższą metę prawdopodobnie zastąpią tradycyjne komputery krzemowe, które napotykają bariery na wyższym poziomie wydajności.

Jeden kilogram węgla zawiera 5 x 10 ²⁵ atomów. Wyobraź sobie, że moglibyśmy użyć tylko 100 atomów do przechowywania pojedynczego bitu lub wykonania operacji obliczeniowej. Przy użyciu ogromnego równoległości obliczenia molekularne ważące zaledwie kilogram mogą przetwarzać ponad 10 ²⁷ operacji na sekundę, ponad miliard razy szybciej niż najlepszy dzisiejszy superkomputer, który działa z prędkością około 10 ¹⁷ operacji na sekundę. Dzięki znacznie większej mocy obliczeniowej moglibyśmy dokonać wyczynów obliczeniowych i symulacji, których nie jesteśmy w stanie sobie dziś wyobrazić.

Różne propozycje komputerów molekularnych różnią się pod względem zasad ich działania. W przetwarzaniu DNA DNA służy jako oprogramowanie, a enzymy jako sprzęt. Niestandardowo zsyntetyzowane nici DNA są łączone z enzymami w probówce i w zależności od długości otrzymanej nici wyjściowej można uzyskać roztwór. Obliczenia DNA mają ogromny potencjał, ale mają poważne wady. Obliczenia DNA nie są uniwersalne, co oznacza, że ​​istnieją problemy, których nawet w zasadzie nie można rozwiązać. Może zwracać tylko odpowiedzi typu tak lub nie na problemy obliczeniowe. W 2002 r. Naukowcy w Izraelu stworzyli komputer DNA, który może wykonywać 330 trylionów operacji na sekundę, ponad 100 000 razy szybciej niż najszybszy komputer w tym czasie.

Inną propozycją obliczeń molekularnych jest obliczenia kwantowe. Obliczenia kwantowe wykorzystują efekty kwantowe do wykonywania obliczeń, a szczegóły są skomplikowane. Obliczenia kwantowe zależą od przechłodzonych atomów zablokowanych w stanach splątanych. Głównym wyzwaniem jest to, że wraz ze wzrostem liczby elementów obliczeniowych (kubitów) coraz trudniej jest izolować komputer kwantowy od materii na zewnątrz, powodując jego odszyfrowanie, eliminując efekty kwantowe i przywracając komputer do stanu klasycznego. To rujnuje obliczenia. Obliczenia kwantowe można jeszcze rozwinąć w praktyczne zastosowania, ale wielu fizyków i informatyków pozostaje sceptycznych.

Jeszcze bardziej zaawansowany komputer molekularny wymagałby bramek logicznych w nanoskali lub elementów nanoelektronicznych, które przetwarzałyby w bardziej konwencjonalny, uniwersalny i kontrolowany sposób. Niestety, obecnie brakuje nam zdolności produkcyjnych niezbędnych do wyprodukowania takiego komputera. Aby zrealizować ten typ komputera molekularnego, konieczna byłaby robotyka w nanoskali zdolna do umieszczenia każdego atomu w pożądanej konfiguracji. Trwają wstępne prace nad opracowaniem tego rodzaju robotyki, ale przełom może zająć wiele lat.