Co to jest obliczenia molekularne?

Obliczenie molekularne jest ogólnym terminem dla każdego schematu obliczeniowego, który wykorzystuje poszczególne atomy lub cząsteczki jako sposób rozwiązywania problemów obliczeniowych.Obliczanie molekularne jest najczęściej powiązane z obliczeniami DNA, ponieważ to poczyniło najwięcej postępów, ale może również odnosić się do obliczeń kwantowych lub bram logicznych.Wszystkie formy obliczeń molekularnych są obecnie w powijakach, ale na dłuższą metę prawdopodobnie zastąpią tradycyjne komputery krzemowe, które cierpią na bariery dla wyższych poziomów wydajności.

Pojedynczy kilogram węgla zawiera 5 x 10 ²⁵ atomów.Wyobraź sobie, że moglibyśmy użyć tylko 100 atomów do przechowywania jednego bitu lub wykonywania operacji obliczeniowej.Stosując masywną równoległość, obliczenia molekularne ważące zaledwie kilogram może przetwarzać ponad 10 ²⁷ operacji na sekundę, ponad miliard razy szybciej niż najlepszy superkomputer, który działa na około 10 ¹⁷ operacji na sekundę.Przy tak znacznie większej mocy obliczeniowej moglibyśmy dziś osiągnąć wyczyny obliczeń i symulacji niewyobrażalne dla nas.

Różne propozycje komputerów molekularnych różnią się zasadami ich działania.W obliczaniu DNA DNA służy jako oprogramowanie, podczas gdy enzymy służą jako sprzęt.Niestandardowe pasma DNA łączy się z enzymami w probówce i w zależności od długości powstałej nici wyjściowej można wyprowadzić roztwór.Obliczanie DNA jest niezwykle potężne pod względem potencjału, ale cierpi na główne wady.Obliczanie DNA jest nie-uniwersalne, co oznacza, że istnieją problemy, których nie może, nawet w zasadzie, w zasadzie.Może zwrócić tylko odpowiedzia na problemy obliczeniowe.W 2002 r. Naukowcy w Izraelu stworzyli komputer DNA, który może wykonywać 330 bilionów operacji na sekundę, ponad 100 000 razy szybciej niż prędkość najszybszego komputera w tym czasie.

Inną propozycją obliczeń molekularnych jest obliczenie kwantowe.Obliczanie kwantowe wykorzystuje efekty kwantowe do wykonywania obliczeń, a szczegóły są skomplikowane.Obliczanie kwantowe zależy od superkolorowanych atomów zamkniętych ze sobą w stanach splątanych.Głównym wyzwaniem jest to, że wraz ze wzrostem liczby elementów obliczeniowych (kubitów) stopniowo trudniej jest izolować komputer kwantowy z materii na zewnątrz, powodując, że ma hemuerację, eliminując efekty kwantowe i przywracanie komputera do stanu klasycznego.To rujnuje obliczenia.Obliczanie kwantowe można jeszcze przekształcić w praktyczne zastosowania, ale wielu fizyków i informatyków pozostaje sceptycznych.

Jeszcze bardziej zaawansowany komputer molekularny obejmowałby nanoskalowe bramy logiczne lub komponenty nanoelektroniczne prowadzące przetwarzanie w bardziej konwencjonalny, uniwersalny i kontrolowany sposób.Niestety brakuje nam możliwości produkcji niezbędnej do wytworzenia takiego komputera.Robotyka w nanoskali zdolne do umieszczenia każdego atomu w pożądanej konfiguracji byłaby konieczna do realizacji tego rodzaju komputera molekularnego.Wstępne wysiłki na rzecz rozwoju tego rodzaju robotyki są w toku, ale poważny przełom może potrwać dziesięciolecia.