211service.com
De kleine schakelaar die het bijna groot maakte
In januari 2015 hebben bouwvakkers tijdens het graven van de fundering van wat ooit de onderzoeksfaciliteit voor nanotechnologie van het MIT zal zijn, een mysterieuze glazen buis opgegraven. Het was een tijdcapsule die in 1957 was begraven met instructies dat deze 1000 jaar verzegeld moest blijven. De capsule bleef gesloten, maar de archieven van het MIT Museum onthulden de inhoud: aandenkens, documenten die de toestand van MIT in de jaren vijftig beschrijven, een container met synthetische penicilline en een kleine schakelaar - de vaak vergeten ontstaansgeschiedenis van een onderdeel dat cruciaal is voor modern onderzoek naar kwantumcomputers. De schakelaar, beter bekend als een cryotron, werd eerder dat jaar onthuld in het Lincoln Laboratory van MIT en werd gezien als een veelbelovende nieuwe technologie die de sleutel zou kunnen zijn om gigantische computers uit het Koude Oorlog-tijdperk te verkleinen tot een fractie van hun grootte.
De cryotron was het geesteskind van Dudley Allen Buck, SM '52, ScD '58. Buck, een padvinder en methodistische jeugdadviseur, ging in 1950 naar het MIT na twee jaar in de cryptografie-eenheid van de marine te hebben doorgebracht. Hij begon zijn MIT-termijn als onderzoeksassistent bij Project Whirlwind, dat een enorme snelle digitale computer ontwikkelde waarvan het ontwerp uiteindelijk de ruggengraat werd van het Amerikaanse luchtverdedigingssysteem. Whirlwind was enorm, zowel figuurlijk als letterlijk. Het nam 2500 vierkante meter aan ruimte in beslag in het Barta-gebouw van MIT (nu gebouw N42), het werd gebouwd voordat de transistor in grote omloop was; het voerde aanvankelijk berekeningen uit met duizenden vacuümbuizen die in gecompliceerde circuits waren gerangschikt.
Zelfs voordat Buck in 1952 zijn master behaalde, begon hij na te denken over manieren om kleinere, snellere logische schakelaars te maken die geen vacuümbuizen gebruikten. Hij wilde schakelingen maken die zo krachtig zijn dat, zoals hij het later uitdrukte, een grootschalige digitale computer gemaakt kan worden om één kubieke voet in beslag te nemen. In december 1953 had Buck een plan om een betere schakelaar te bouwen. Terwijl vacuümbuizen afhankelijk zijn van warmte om elektronen te laten stromen, stelde hij zich een schakelaar voor die gemaakt is van materialen die bij afkoeling tot extreem lage temperaturen stroom kunnen geleiden zonder elektrische weerstand. Deze supergeleiders, zo stelde hij, zouden zo dun kunnen zijn als twee enkele draden en zouden het mogelijk maken om computers te bouwen die net zo krachtig zijn als Whirlwind - en veel energiezuiniger - zonder dikke buizen te gebruiken.
Buck bracht de volgende twee jaar door in het Lincoln Lab van MIT om prototypes van zijn schakelaar te bouwen. Hij koos uiteindelijk voor een gemakkelijk te fabriceren ontwerp dat twee supergeleidende metalen gebruikte: een rechte, 2,5 cm lange draad gemaakt van tantaal met een tweede draad gemaakt van niobium eromheen. Bij of lager dan 4,2 K - een temperatuur die hij bereikte door beide draden in vloeibaar helium te dompelen - geleidde het tantaal stroom zonder weerstand. Maar het pompen van stroom door het opgerolde niobium genereerde een magnetisch veld dat ervoor zorgde dat de tantaaldraad een normale in plaats van een supergeleidende toestand aannam, zodat de onderzoekers de schakelaar aan of uit konden zetten met alleen elektrische signalen. Op zichzelf had een enkele cryotron een beperkt vermogen, maar een verzameling schakelaars die zo klein is dat er 100 in een vingerhoed passen, zou dezelfde verwerkingskracht kunnen bieden als vacuümbuizen die orden van grootte groter waren. Buck stelde zich cryotron-computers voor, elk met een aangepaste koelkast, een cryostaat genaamd, die de schakelaars koel genoeg kon houden om te werken.
Buck diende in 1955 een patent in voor zijn magnetisch gestuurde poortelement en gaf kort daarna informatie over zijn werk aan het publiek vrij, waarbij hij toegeeft dat de technologie veel langzamer was dan vacuümbuizen en transistors en dat de betrouwbaarheid van cryotron-circuits niet bekend is. Ondanks deze problemen kreeg Bucks onderzoek de aandacht van zowel de particuliere sector als de wetenschappelijke gemeenschap. Gefinancierd door de NSA werkte hij aan het nog kleiner maken van de cryotron en experimenteerde hij met het printen van de technologie op dunne films. Ondertussen lanceerden ingenieurs van A.D. Little, RCA, IBM en GE allemaal cryotron-onderzoeksprogramma's.
In 1959 had Buck een prijs ontvangen van het Institute of Radio Engineers, verdiende hij zijn ScD en trad hij toe tot zowel de MIT-faculteit als de wetenschappelijke adviesraad van de NSA. Maar in mei 1959, minder dan een maand na zijn 32e verjaardag, stierf hij aan een plotselinge ziekte van de luchtwegen. Dudley was niet ambitieus voor zichzelf, herinnerde een van zijn studenten zich, Charles Crawford '59, SM '60, ScD '62. Hij was ambitieus voor het menselijk ras.
De belangstelling voor cryotrontechnologie nam halverwege de jaren zestig af, toen siliciummicrochips, die goedkoper waren en geen koeling nodig hadden, de standaard werden voor de logische schakelaars van digitale computers. Maar het onderzoek naar supergeleidende materialen dat met Buck begon, gaat vandaag door. Het Josephson-knooppunt, een aangepaste versie van de cryotron die in de jaren zestig werd geïntroduceerd, blijft een steunpilaar van onderzoek naar kwantumcomputers.