Molecular Computing ist ein Oberbegriff für jedes Rechenschema, das einzelne Atome oder Moleküle als Mittel zur Lösung von Rechenproblemen verwendet. Molekulares Computing wird am häufigsten mit DNA-Computing in Verbindung gebracht, weil es die meisten Fortschritte gemacht hat, aber es kann sich auch auf Quantencomputing oder molekulare Logikgatter beziehen. Alle Formen des molekularen Computings stecken derzeit noch in den Kinderschuhen, werden aber auf lange Sicht wahrscheinlich traditionelle Silizium-Computer ersetzen, die mit Hindernissen für eine höhere Leistung konfrontiert sind.
Ein einzelnes Kilogramm Kohlenstoff enthält 5 x 1025 Atome. Stellen Sie sich vor, wir könnten nur 100 Atome verwenden, um ein einzelnes Bit zu speichern oder eine Rechenoperation durchzuführen. Durch massive Parallelität könnte ein nur Kilogramm wiegender Molekularcomputer mehr als 1027 Operationen pro Sekunde verarbeiten, mehr als eine Milliarde Mal schneller als der beste Supercomputer von heute, der mit etwa 1017 Operationen pro Sekunde arbeitet. Mit so viel mehr Rechenleistung könnten wir Berechnungs- und Simulationsleistungen erbringen, die für uns heute unvorstellbar sind.
Verschiedene Vorschläge für molekulare Computer unterscheiden sich in ihren Funktionsprinzipien. Beim DNA-Computing dient DNA als Software, während Enzyme als Hardware dienen. Individuell synthetisierte DNA-Stränge werden in einem Reagenzglas mit Enzymen kombiniert und je nach Länge des resultierenden Ausgangsstrangs kann eine Lösung abgeleitet werden. Die DNA-Berechnung ist in ihrem Potenzial äußerst leistungsfähig, leidet jedoch unter großen Nachteilen. Die DNA-Berechnung ist nicht universell, was bedeutet, dass es Probleme gibt, die sie nicht einmal im Prinzip lösen kann. Es kann nur Ja-oder-Nein-Antworten auf Rechenprobleme zurückgeben. Im Jahr 2002 entwickelten israelische Forscher einen DNA-Computer, der 330 Billionen Operationen pro Sekunde ausführen konnte, mehr als 100,000 Mal schneller als der damals schnellste PC.
Ein weiterer Vorschlag für Molecular Computing ist das Quantencomputing. Quantencomputing nutzt Quanteneffekte, um Berechnungen durchzuführen, und die Details sind kompliziert. Quantencomputing hängt von unterkühlten Atomen ab, die in miteinander verschränkten Zuständen verbunden sind. Eine große Herausforderung besteht darin, dass es mit zunehmender Anzahl von Rechenelementen (Qubits) immer schwieriger wird, den Quantencomputer von der äußeren Materie zu isolieren, wodurch er dekohäriert, Quanteneffekte eliminiert und der Computer in einen klassischen Zustand zurückversetzt wird. Das macht die Rechnung zunichte. Quantencomputing mag noch zu praktischen Anwendungen entwickelt werden, aber viele Physiker und Informatiker bleiben skeptisch.
Ein noch fortschrittlicherer molekularer Computer würde nanoskalige Logikgatter oder nanoelektronische Komponenten beinhalten, die die Verarbeitung auf konventionellere, universellere und kontrolliertere Weise durchführen. Leider fehlt uns derzeit die Fertigungskapazität, die erforderlich ist, um einen solchen Computer herzustellen. Um diese Art von molekularen Computern zu realisieren, wäre eine Robotik im Nanomaßstab erforderlich, die jedes Atom in die gewünschte Konfiguration bringen kann. Vorläufige Bemühungen zur Entwicklung dieser Art von Robotik sind im Gange, aber ein großer Durchbruch könnte Jahrzehnte dauern.