Vad är Molecular Computing?
Molekylär beräkning är en generisk term för alla beräkningar som använder enskilda atomer eller molekyler som ett sätt att lösa beräkningsproblem. Molekylberäkning är oftast förknippad med DNA-beräkning, eftersom det har gjort mest framsteg, men det kan också hänvisa till kvantberäkning eller molekylära logiska grindar. Alla former av molekylär beräkning är för närvarande i sin spädbarn, men på lång sikt kommer det troligt att ersätta traditionella kiseldatorer, som drabbas av hinder för högre prestanda.
En enda kil kol innehåller 5 x 10 25 atomer. Föreställ dig om vi bara kunde använda 100 atomer för att lagra en enda bit eller utföra en beräkningsoperation. Med massiv parallellism kan en molekylär beräkning som väger bara ett kilogram bearbeta mer än 10 27 operationer per sekund, mer än en miljard gånger snabbare än dagens bästa superdator, som arbetar med cirka 10 17 operationer per sekund. Med så mycket större beräkningskraft, kunde vi uppnå beräkningar och simulering som vi inte kan föreställa oss idag.
Olika förslag för molekylära datorer varierar i principerna för deras funktion. Vid beräkning av DNA tjänar DNA som mjukvara medan enzymer fungerar som hårdvara. Anpassade syntetiserade DNA-strängar kombineras med enzymer i ett provrör, och beroende på längden på den resulterande utgångssträngen kan en lösning härledas. DNA-beräkning är extremt kraftfull i sin potential, men lider av stora nackdelar. DNA-beräkning är icke-universell, vilket innebär att det finns problem som det inte ens i princip kan lösa. Det kan bara returnera ja-eller-nej-svar på beräkningsproblem. År 2002 skapade forskare i Israel en DNA-dator som kunde utföra 330 biljoner operationer per sekund, mer än 100 000 gånger snabbare än hastigheten på den snabbaste datorn då.
Ett annat förslag för molekylär beräkning är kvantberäkning. Kvantberäkning utnyttjar kvanteffekter för att utföra beräkning, och detaljerna är komplicerade. Kvantberäkning beror på superkylda atomer som är låsta i sammankopplade tillstånd med varandra. En stor utmaning är att när antalet beräkningselement (qubits) ökar, blir det gradvis svårare att isolera kvantdatorn från materia på utsidan, vilket får den att decohere, eliminera kvanteffekter och återställa datorn till ett klassiskt tillstånd. Detta förstör beräkningen. Kvantberäkning kan ännu utvecklas till praktiska tillämpningar, men många fysiker och datavetare förblir skeptiska.
En ännu mer avancerad molekylär dator skulle involvera nanoskala logiska grindar eller nanoelektroniska komponenter som utför behandling på ett mer konventionellt, universellt och kontrollerat sätt. Tyvärr saknar vi för närvarande den tillverkningskapacitet som krävs för att tillverka en sådan dator. Nanoskala-robotik som kan placera varje atom i önskad konfiguration skulle vara nödvändig för att förverkliga denna typ av molekylär dator. Preliminära ansträngningar för att utveckla denna typ av robotik pågår, men ett stort genombrott kan ta årtionden.