Kas ir molekulārā skaitļošana?

Molekulārā skaitļošana ir vispārīgs termins jebkurai skaitļošanas shēmai, kas izmanto atsevišķus atomus vai molekulas kā līdzekli skaitļošanas problēmu risināšanai. Molekulārā skaitļošana visbiežāk tiek saistīta ar DNS skaitļošanu, jo tā ir panākusi vislielāko progresu, taču tā var attiekties arī uz kvantu skaitļošanu vai molekulārās loģikas vārtiem. Visi molekulārās skaitļošanas veidi pašlaik ir sākumstadijā, taču ilgtermiņā tie, visticamāk, aizstās tradicionālos silīcija datorus, kuriem ir šķēršļi augstākam veiktspējas līmenim.

Viens kilograms oglekļa satur 5 x 1025 atomus. Iedomājieties, ja mēs varētu izmantot tikai 100 atomus, lai saglabātu vienu bitu vai veiktu skaitļošanas darbību. Izmantojot masveida paralēlismu, molekulārā skaitļošana, kas sver tikai kilogramu, varētu apstrādāt vairāk nekā 1027 darbības sekundē, vairāk nekā miljardu reižu ātrāk nekā mūsdienu labākais superdators, kas darbojas ar aptuveni 1017 operācijām sekundē. Ar tik daudz lielāku skaitļošanas jaudu mēs varētu sasniegt tādus aprēķinu un simulācijas varoņdarbus, kādi mums šodien nav iedomājami.

Dažādi priekšlikumi molekulārajiem datoriem atšķiras pēc to darbības principiem. DNS skaitļošanā DNS kalpo kā programmatūra, savukārt fermenti kalpo kā aparatūra. Pēc pasūtījuma sintezētas DNS virknes tiek apvienotas ar fermentiem mēģenē, un atkarībā no iegūtās izejas virknes garuma var iegūt šķīdumu. DNS aprēķins ir ārkārtīgi spēcīgs savā potenciālā, taču tam ir būtiski trūkumi. DNS aprēķins nav universāls, kas nozīmē, ka ir problēmas, kuras tā pat principā nevar atrisināt. Tas var sniegt tikai jā vai nē atbildes uz skaitļošanas problēmām. 2002. gadā pētnieki Izraēlā izveidoja DNS datoru, kas varēja veikt 330 triljonus darbību sekundē, kas ir vairāk nekā 100,000 XNUMX reižu ātrāk nekā tobrīd ātrākā datora ātrums.

Vēl viens molekulārās skaitļošanas priekšlikums ir kvantu skaitļošana. Kvantu skaitļošana izmanto kvantu efektu priekšrocības, lai veiktu aprēķinus, un detaļas ir sarežģītas. Kvantu skaitļošana ir atkarīga no pārdzesētiem atomiem, kas ir savstarpēji saistīti. Liels izaicinājums ir tas, ka, palielinoties skaitļošanas elementu (kubitu) skaitam, kļūst arvien grūtāk izolēt kvantu datoru no ārpuses esošās matērijas, izraisot tā dekoherēšanu, novēršot kvantu efektus un atjaunojot datoru klasiskā stāvoklī. Tas sabojā aprēķinu. Kvantu skaitļošanu vēl var attīstīt praktiskos lietojumos, taču daudzi fiziķi un datorzinātnieki joprojām ir skeptiski.

Vēl modernāks molekulārais dators ietvertu nanomēroga loģiskos vārtus vai nanoelektroniskos komponentus, kas veiktu apstrādi tradicionālākā, universālākā un kontrolētākā veidā. Diemžēl pašlaik mums trūkst ražošanas iespēju, kas nepieciešama šāda datora izgatavošanai. Lai realizētu šāda veida molekulāro datoru, būtu nepieciešama nanomēroga robotika, kas spēj novietot katru atomu vēlamajā konfigurācijā. Notiek provizoriskie centieni izstrādāt šāda veida robotiku, taču lielam izrāvienam var būt nepieciešami gadu desmiti.