Den lilla strömbrytaren som nästan gjorde den stor

I januari 2015, när de grävde grunden till vad som en dag kommer att bli MIT:s forskningsanläggning för nanoteknik, grävde byggnadsarbetare upp ett mystiskt glasrör. Det var en tidskapsel som hade begravts 1957 med instruktioner om att den skulle förbli förseglad i 1 000 år. Kapseln förblev stängd, men MIT Museums register avslöjade dess innehåll: minnessaker, dokument som beskriver MITs tillstånd på 1950-talet, en behållare med syntetiskt penicillin och en liten strömbrytare - den ofta bortglömda tillkomsten av en komponent som är avgörande för modern forskning om kvantberäkning. Switchen – mer känd som en kryotron – som avslöjades vid MIT:s Lincoln Laboratory tidigare samma år sågs som en lovande ny teknik som kan vara nyckeln till att krympa jättelika datorer från kalla kriget till en bråkdel av deras storlek.

Kryotronen var idén till Dudley Allen Buck, SM ’52, ScD ’58. En scoutmästare och metodistisk ungdomsrådgivare, Buck började på MIT 1950 efter att ha tillbringat två år i marinens kryptografienhet. Han började sin MIT-tjänstgöring som forskningsassistent på Project Whirlwind, som utvecklade en massiv digital höghastighetsdator vars design så småningom blev ryggraden i det amerikanska luftförsvarssystemet. Virvelvinden var enorm, både bildligt och bokstavligt. Den tog upp 2 500 kvadratmeter utrymme i MIT:s Barta Building (nu byggnad N42) och byggdes innan transistorn var i stor cirkulation; det utförde initialt beräkningar med hjälp av tusentals vakuumrör arrangerade i komplicerade kretsar.

Redan innan han tog sin mastersexamen 1952 började Buck fundera på sätt att göra mindre, snabbare logiska omkopplare som inte använde vakuumrör. Han ville skapa kretsar så kraftfulla att, som han senare uttryckte det, en storskalig digital dator kan fås att uppta en kubikfot. I december 1953 hade Buck en plan för att bygga en bättre växel. Medan vakuumrör är beroende av värme för att få elektroner att flöda, föreställde han sig en strömbrytare gjord av material som kan leda ström utan elektriskt motstånd när de kyls till extremt låga temperaturer. Dessa supraledare, teoretiserade han, kunde vara så tunna som två enkla ledningar och skulle göra det möjligt att bygga datorer som var lika kraftfulla som Whirlwind – och mycket mer energieffektiva – utan att använda skrymmande rör.

Buck tillbringade de kommande två åren på MIT:s Lincoln Lab med att bygga prototyper av sin switch. Han bestämde sig så småningom på en lätttillverkad design som använde två supraledande metaller: en rak, en tum lång tråd gjord av tantal med en andra tråd gjord av niob lindad runt den. Vid eller under 4,2 K – en temperatur han uppnådde genom att doppa båda ledningarna i flytande helium – ledde tantalen ström utan motstånd. Men att pumpa ström genom den lindade nioben genererade ett magnetfält som fick tantaltråden att anta ett normalt i stället för ett supraledande tillstånd, så forskarna kunde slå på eller stänga av strömbrytaren med endast elektriska signaler. I sig själv hade en enda kryotron begränsad kraft, men en samling switchar så små att 100 passar i en fingerborg kunde erbjuda samma processorkraft som vakuumrör som var storleksordningar större. Buck avbildade kryotrondatorer, var och en med ett anpassat kylskåp som kallas en kryostat som kunde hålla omkopplarna tillräckligt svala för att fungera.

Buck lämnade in ett patent för sitt magnetiskt styrda grindelement 1955 och släppte kort därefter information om sitt arbete till allmänheten, medgav att tekniken var mycket långsammare än vakuumrör och transistorer och att tillförlitligheten hos kryotronkretsar inte är känd. Trots dessa problem fick Bucks forskning uppmärksamhet från både den privata sektorn och det vetenskapliga samfundet. Finansierad av NSA arbetade han med att göra kryotronen ännu mindre och experimenterade med att trycka tekniken på tunna filmer. Samtidigt lanserade ingenjörer vid A. D. Little, RCA, IBM och GE alla kryotronforskningsprogram.

År 1959 hade Buck fått ett pris från Institute of Radio Engineers, fått sin ScD och gick med i både MIT-fakulteten och NSA:s vetenskapliga rådgivande nämnd. Men i maj 1959, mindre än en månad efter sin 32-årsdag, dog han av en plötslig luftvägssjukdom. Dudley var inte ambitiös för sig själv, mindes en av hans elever, Charles Crawford ’59, SM ’60, ScD ’62. Han var ambitiös för mänskligheten.

Intresset för kryotronteknologi avtog i mitten av 1960-talet, när kiselmikrochips, som var billigare och inte behövde kylning, blev standarden för digitala datorers logikomkopplare. Men forskningen om supraledande material som började med Buck fortsätter idag. Josephson-korsningen, en modifierad version av kryotronen som introducerades på 1960-talet, är fortfarande en stöttepelare i kvantberäkningsforskningen.

Dölj