Molekularno računalništvo je splošen izraz za katero koli računalniško shemo, ki uporablja posamezne atome ali molekule kot sredstvo za reševanje računalniških problemov. Molekularno računalništvo je najpogosteje povezano z računalništvom DNK, ker je to najbolj napredovalo, lahko pa se nanaša tudi na kvantno računalništvo ali molekularna logična vrata. Vse oblike molekularnega računalništva so trenutno v povojih, vendar bodo na dolgi rok verjetno nadomestile tradicionalne silikonske računalnike, ki imajo ovire za višje ravni zmogljivosti.
En kilogram ogljika vsebuje 5 x 1025 atomov. Predstavljajte si, če bi lahko uporabili le 100 atomov za shranjevanje enega bita ali izvedbo računske operacije. Z uporabo velikega paralelizma bi molekularno računalništvo, ki tehta le kilogram, lahko obdelalo več kot 1027 operacij na sekundo, kar je več kot milijardo krat hitreje kot današnji najboljši superračunalnik, ki deluje s približno 1017 operacijami na sekundo. S toliko večjo računalniško močjo bi lahko dosegli podvige računanja in simulacije, ki si jih danes ne predstavljamo.
Različni predlogi za molekularne računalnike se razlikujejo po načelih njihovega delovanja. Pri računanju DNK DNK služi kot programska oprema, medtem ko encimi služijo kot strojna oprema. Po meri sintetizirane verige DNK se v epruveti združijo z encimi in glede na dolžino nastale izhodne verige lahko izpeljemo raztopino. Izračun DNK je v svojem potencialu izjemno močan, vendar ima velike pomanjkljivosti. Izračun DNK ni univerzalen, kar pomeni, da obstajajo problemi, ki jih niti načeloma ne more rešiti. Odgovore lahko le z da ali ne na računske težave. Leta 2002 so raziskovalci v Izraelu ustvarili računalnik DNK, ki je lahko izvajal 330 bilijonov operacij na sekundo, kar je več kot 100,000-krat hitreje od hitrosti najhitrejšega računalnika v tistem času.
Drug predlog za molekularno računalništvo je kvantno računalništvo. Kvantno računalništvo izkorišča kvantne učinke za izvajanje računanja, podrobnosti pa so zapletene. Kvantno računalništvo je odvisno od prehlajenih atomov, zaklenjenih med seboj v zapletenih stanjih. Velik izziv je, da s povečanjem števila računskih elementov (kubitov) postaja vse težje izolirati kvantni računalnik od snovi na zunanji strani, zaradi česar se dekoherira, odpravi kvantne učinke in računalnik povrne v klasično stanje. To pokvari izračun. Kvantno računalništvo se morda še razvija v praktične aplikacije, vendar mnogi fiziki in računalničarji ostajajo skeptični.
Še naprednejši molekularni računalnik bi vključeval logična vrata ali nanoelektronske komponente, ki izvajajo obdelavo na bolj običajen, univerzalen in nadzorovan način. Žal trenutno nimamo proizvodnih zmogljivosti, potrebnih za izdelavo takšnega računalnika. Za realizacijo te vrste molekularnega računalnika bi bila potrebna nanometrska robotika, ki bi lahko postavila vsak atom v želeno konfiguracijo. Predhodna prizadevanja za razvoj te vrste robotike so v teku, vendar bi velik preboj lahko trajal desetletja.