Il calcolo molecolare è un termine generico per qualsiasi schema computazionale che utilizza singoli atomi o molecole come mezzo per risolvere problemi computazionali. Il calcolo molecolare è più frequentemente associato al calcolo del DNA, perché ha fatto i maggiori progressi, ma può anche riferirsi al calcolo quantistico o alle porte logiche molecolari. Tutte le forme di calcolo molecolare sono attualmente agli inizi, ma nel lungo periodo è probabile che sostituiranno i tradizionali computer al silicio, che subiscono barriere a livelli più elevati di prestazioni.
Un singolo chilogrammo di carbonio contiene 5 x 1025 atomi. Immagina se potessimo usare solo 100 atomi per memorizzare un singolo bit o eseguire un’operazione di calcolo. Utilizzando un massiccio parallelismo, un calcolo molecolare del peso di appena un chilogrammo potrebbe elaborare più di 1027 operazioni al secondo, oltre un miliardo di volte più velocemente del miglior supercomputer di oggi, che opera a circa 1017 operazioni al secondo. Con una potenza di calcolo così grande, potremmo realizzare imprese di calcolo e simulazione per noi oggi inimmaginabili.
Diverse proposte per computer molecolari variano nei principi del loro funzionamento. Nel calcolo del DNA, il DNA funge da software mentre gli enzimi fungono da hardware. I filamenti di DNA sintetizzati su misura vengono combinati con enzimi in una provetta e, a seconda della lunghezza del filamento di uscita risultante, è possibile derivare una soluzione. Il calcolo del DNA è estremamente potente nel suo potenziale, ma soffre di gravi inconvenienti. Il calcolo del DNA non è universale, il che significa che ci sono problemi che non può, nemmeno in linea di principio, risolvere. Può solo restituire risposte sì o no a problemi di calcolo. Nel 2002, i ricercatori in Israele hanno creato un computer del DNA in grado di eseguire 330 trilioni di operazioni al secondo, oltre 100,000 volte più veloce della velocità del PC più veloce dell’epoca.
Un’altra proposta per il calcolo molecolare è il calcolo quantistico. Il calcolo quantistico sfrutta gli effetti quantistici per eseguire il calcolo e i dettagli sono complicati. Il calcolo quantistico dipende da atomi superraffreddati bloccati in stati entangled tra loro. Una delle principali sfide è che con l’aumentare del numero di elementi computazionali (qubit), diventa progressivamente più difficile isolare il computer quantistico dalla materia esterna, provocandone la decoherizzazione, eliminando gli effetti quantistici e ripristinando il computer allo stato classico. Questo rovina il calcolo. L’informatica quantistica può ancora essere sviluppata in applicazioni pratiche, ma molti fisici e scienziati informatici rimangono scettici.
Un computer molecolare ancora più avanzato implicherebbe porte logiche su scala nanometrica o componenti nanoelettronici che conducono l’elaborazione in modo più convenzionale, universale e controllato. Sfortunatamente, al momento non abbiamo la capacità di produzione necessaria per fabbricare un computer del genere. Per realizzare questo tipo di computer molecolare sarebbe necessaria una robotica su nanoscala in grado di posizionare ogni atomo nella configurazione desiderata. Sono in corso sforzi preliminari per sviluppare questo tipo di robotica, ma un importante passo avanti potrebbe richiedere decenni.