211service.com
Mały przełącznik, który prawie zrobił to duży
W styczniu 2015 r., podczas kopania fundamentów tego, co pewnego dnia stanie się ośrodkiem badawczym nanotechnologii MIT, robotnicy budowlani odkryli tajemniczą szklaną rurkę. Była to kapsuła czasu, która została zakopana w 1957 roku z instrukcjami, że powinna pozostać zapieczętowana przez 1000 lat. Kapsuła pozostała zamknięta, ale zapisy Muzeum MIT ujawniły jej zawartość: pamiątki, dokumenty szczegółowo opisujące stan MIT w latach pięćdziesiątych, pojemnik z syntetyczną penicyliną i jeden mały przełącznik — często zapomniana geneza składnika, który ma kluczowe znaczenie dla współczesnych badań nad obliczenia kwantowe. Zaprezentowany na początku tego roku w Lincoln Laboratory w MIT przełącznik – lepiej znany jako kriotron – był postrzegany jako obiecująca nowa technologia, która może być kluczem do zmniejszenia gigantycznych komputerów z czasów zimnej wojny do ułamka ich rozmiarów.
Kriotron był pomysłem Dudleya Allena Bucka, SM ’52, ScD ’58. Buck, harcmistrz i młodzieżowy doradca metodystów, wstąpił do MIT w 1950 roku po spędzeniu dwóch lat w jednostce kryptografii marynarki wojennej. Rozpoczął swoją kadencję w MIT jako asystent naukowy w projekcie Whirlwind, który zajmował się opracowywaniem ogromnego, szybkiego komputera cyfrowego, którego konstrukcja ostatecznie stała się podstawą amerykańskiego systemu obrony powietrznej. Trąba powietrzna była ogromna, zarówno w przenośni, jak i dosłownie. Zajmując 2500 stóp kwadratowych powierzchni w budynku Barta MIT (obecnie budynek N42), został zbudowany, zanim tranzystor był w szerokim obiegu; początkowo wykonywała obliczenia przy użyciu tysięcy lamp próżniowych ułożonych w skomplikowane obwody.
Jeszcze przed zdobyciem tytułu magistra w 1952 roku Buck zaczął myśleć o sposobach tworzenia mniejszych, szybszych przełączników logicznych, które nie wykorzystują lamp próżniowych. Chciał stworzyć obwody tak potężne, że, jak to później ujął, wielkoskalowy komputer cyfrowy może zająć jedną stopę sześcienną. Do grudnia 1953 Buck miał plan zbudowania lepszego przełącznika. Podczas gdy lampy próżniowe wykorzystują ciepło do przepływu elektronów, wyobraził sobie przełącznik wykonany z materiałów, które mogą przewodzić prąd bez oporu elektrycznego po schłodzeniu do ekstremalnie niskich temperatur. Teoretyzował, że te nadprzewodniki mogą być tak cienkie jak dwa pojedyncze druty i umożliwią zbudowanie komputerów równie potężnych jak Whirlwind – i znacznie bardziej energooszczędnych – bez użycia nieporęcznych rur.
Buck spędził następne dwa lata w Lincoln Lab w MIT, budując prototypy swojego przełącznika. Ostatecznie zdecydował się na łatwy do wykonania projekt, który wykorzystywał dwa nadprzewodzące metale: prosty, jeden calowy drut wykonany z tantalu z drugim owiniętym wokół niego drutem z niobu. Przy lub poniżej 4,2 K — temperaturze, którą osiągnął przez zanurzenie obu przewodów w ciekłym helu — tantal przewodził prąd bez oporu. Jednak pompowanie prądu przez zwinięty niob generowało pole magnetyczne, które powodowało, że drut tantalowy przyjmował stan normalny, a nie nadprzewodnictwo, więc naukowcy mogli włączać i wyłączać przełącznik za pomocą wyłącznie sygnałów elektrycznych. Pojedynczy kriotron sam w sobie miał ograniczoną moc, ale zestaw przełączników tak małych, że 100 zmieści się w gilzie, może zapewnić taką samą moc przetwarzania, jak lampy próżniowe o rzędy wielkości większe. Buck wyobraził sobie komputery kriotronowe, każdy z niestandardową lodówką zwaną kriostatem, która może utrzymywać przełączniki wystarczająco chłodne, aby działały.
Buck złożył patent na swój magnetycznie sterowany element bramkujący w 1955 r. i wkrótce potem podał opinii publicznej informacje o swojej pracy, przyznając, że technologia ta jest znacznie wolniejsza niż lampy próżniowe i tranzystory, a niezawodność obwodów kriotronowych nie jest znana. Pomimo tych problemów, badania Bucka zwróciły uwagę zarówno sektora prywatnego, jak i społeczności naukowej. Ufundowany przez NSA pracował nad zmniejszeniem kriotronu, eksperymentując z drukowaniem technologii na cienkich warstwach. W międzyczasie inżynierowie z A.D. Little, RCA, IBM i GE uruchomili programy badawcze kriotronu.
W 1959 Buck otrzymał nagrodę Instytutu Inżynierów Radiowych, uzyskał tytuł ScD i dołączył zarówno do wydziału MIT, jak i do Rady Naukowej NSA. Ale w maju 1959, niecały miesiąc po swoich 32. urodzinach, zmarł z powodu nagłej choroby układu oddechowego. Dudley nie był ambitny dla siebie, wspominał jeden ze swoich uczniów, Charles Crawford ’59, SM ’60, ScD ’62. Był ambitny dla rasy ludzkiej.
Zainteresowanie technologią kriotronową osłabło w połowie lat 60., kiedy krzemowe mikrochipy, które były tańsze i nie wymagały chłodzenia, stały się standardem dla przełączników logicznych komputerów cyfrowych. Ale badania nad materiałami nadprzewodzącymi, które rozpoczęły się od Bucka, trwają do dziś. Złącze Josephsona, zmodyfikowana wersja kriotronu wprowadzonego w latach 60., pozostaje podstawą badań nad komputerami kwantowymi.