Calculul molecular este un termen generic pentru orice schemă de calcul care utilizează atomi sau molecule individuali ca mijloc de rezolvare a problemelor de calcul. Calculul molecular este cel mai frecvent asociat cu calculul ADN, deoarece acesta a făcut cel mai mult progres, dar se poate referi și la calculul cuantic sau la porțile logicii moleculare. Toate formele de calcul molecular sunt în prezent la început, dar pe termen lung sunt probabil să înlocuiască computerele tradiționale cu siliciu, care suferă bariere în calea unor niveluri mai ridicate de performanță.
Un singur kilogram de carbon conține 5 x 1025 atomi. Imaginați-vă dacă am putea folosi doar 100 de atomi pentru a stoca un singur bit sau pentru a efectua o operație de calcul. Folosind paralelismul masiv, un calcul molecular care cântărește doar un kilogram ar putea procesa mai mult de 1027 de operații pe secundă, de peste un miliard de ori mai rapid decât cel mai bun supercomputer de astăzi, care funcționează cu aproximativ 1017 operațiuni pe secundă. Cu o putere de calcul mult mai mare, am putea realiza fapte de calcul și simulare inimaginabile pentru noi astăzi.
Diferite propuneri pentru calculatoare moleculare variază în principiile funcționării lor. În calcularea ADN-ului, ADN-ul servește ca software, în timp ce enzimele servesc ca hardware. Catenele de ADN sintetizate la comandă sunt combinate cu enzime într-o eprubetă și, în funcție de lungimea catenei de ieșire rezultată, se poate obține o soluție. Calculul ADN-ului este extrem de puternic în potențialul său, dar suferă de dezavantaje majore. Calculul ADN-ului este neuniversal, ceea ce înseamnă că există probleme pe care, nici măcar în principiu, nu le poate rezolva. Poate returna doar răspunsuri da sau nu la problemele de calcul. În 2002, cercetătorii din Israel au creat un computer ADN care ar putea efectua 330 de trilioane de operații pe secundă, de peste 100,000 de ori mai rapid decât viteza celui mai rapid PC din acel moment.
O altă propunere pentru calculul molecular este calculul cuantic. Calculul cuantic profită de efectele cuantice pentru a efectua calcule, iar detaliile sunt complicate. Calculul cuantic depinde de atomii suprarăciți blocați în stări încurcate unul cu celălalt. O provocare majoră este că, pe măsură ce numărul de elemente de calcul (qubiți) crește, devine progresiv mai dificil să izolați computerul cuantic de materia din exterior, provocându-l să se decoereze, eliminând efectele cuantice și restabilind computerul la o stare clasică. Asta distruge calculul. Calculul cuantic poate fi încă dezvoltat în aplicații practice, dar mulți fizicieni și informaticieni rămân sceptici.
Un computer molecular și mai avansat ar implica porți logice la scară nanometrică sau componente nanoelectronice care conduc procesarea într-un mod mai convențional, universal și controlat. Din păcate, în prezent ne lipsește capacitatea de producție necesară pentru a fabrica un astfel de computer. Robotica la scară nanometrică capabilă să plaseze fiecare atom în configurația dorită ar fi necesară pentru a realiza acest tip de computer molecular. Eforturile preliminare de dezvoltare a acestui tip de robotică sunt în desfășurare, dar o descoperire majoră ar putea dura zeci de ani.