O que é computação molecular?

Computação molecular é um termo genérico para qualquer esquema computacional que use átomos ou moléculas individuais como meio de resolver problemas computacionais. A computação molecular é mais frequentemente associada à computação de DNA, porque isso fez mais progresso, mas também pode se referir à computação quântica ou às portas da lógica molecular. Atualmente, todas as formas de computação molecular estão em sua infância, mas a longo prazo provavelmente substituirá os computadores de silício tradicionais, que sofrem barreiras a níveis mais altos de desempenho.

Um único quilograma de carbono contém 5 x 10 ²⁵ átomos. Imagine se pudéssemos usar apenas 100 átomos para armazenar um único bit ou executar uma operação computacional. Usando paralelismo maciço, uma computação molecular pesando apenas um quilograma poderia processar mais de 10 ²⁷ operações por segundo, mais de um bilhão de vezes mais rápido que o melhor supercomputador da atualidade, que opera cerca de 10 ¹⁷ operações por segundo. Com um poder computacional muito maior, poderíamos alcançar proezas de cálculo e simulação inimagináveis ​​para nós hoje.

Diferentes propostas para computadores moleculares variam nos princípios de sua operação. Na computação do DNA, o DNA serve como software, enquanto as enzimas servem como hardware. As cadeias de DNA sintetizadas sob encomenda são combinadas com enzimas em um tubo de ensaio e, dependendo do comprimento da cadeia de saída resultante, uma solução pode ser derivada. A computação do DNA é extremamente poderosa em seu potencial, mas sofre com as principais desvantagens. A computação do DNA não é universal, o que significa que existem problemas que não podem, nem em princípio, resolver. Ele pode retornar apenas respostas sim ou não para problemas computacionais. Em 2002, pesquisadores em Israel criaram um computador de DNA que podia executar 330 trilhões de operações por segundo, mais de 100.000 vezes mais que a velocidade do PC mais rápido da época.

Outra proposta para a computação molecular é a computação quântica. A computação quântica aproveita os efeitos quânticos para realizar a computação, e os detalhes são complicados. A computação quântica depende de átomos super-resfriados bloqueados em estados emaranhados entre si. Um grande desafio é que, à medida que o número de elementos computacionais (qubits) aumenta, fica progressivamente mais difícil isolar o computador quântico da matéria do lado de fora, fazendo com que ele se decomponha, eliminando efeitos quânticos e restaurando o computador ao estado clássico. Isso arruina o cálculo. A computação quântica ainda pode ser desenvolvida em aplicações práticas, mas muitos físicos e cientistas da computação continuam céticos.

Um computador molecular ainda mais avançado envolveria portas lógicas em nanoescala ou componentes nanoeletrônicos que conduzem o processamento de uma maneira mais convencional, universal e controlada. Infelizmente, atualmente não temos a capacidade de fabricação necessária para fabricar esse computador. A robótica em nanoescala capaz de colocar cada átomo na configuração desejada seria necessária para realizar esse tipo de computador molecular. Esforços preliminares para desenvolver esse tipo de robótica estão em andamento, mas um grande avanço pode levar décadas.