Der kleine Schalter, der es fast groß gemacht hätte

Im Januar 2015 entdeckten Bauarbeiter beim Graben des Fundaments dessen, was eines Tages die Nanotechnologie-Forschungseinrichtung des MIT sein wird, eine mysteriöse Glasröhre. Es war eine Zeitkapsel, die 1957 mit der Anweisung vergraben worden war, dass sie 1.000 Jahre lang versiegelt bleiben sollte. Die Kapsel blieb verschlossen, aber die Aufzeichnungen des MIT-Museums enthüllten ihren Inhalt: Andenken, Dokumente, die den Zustand des MIT in den 1950er Jahren beschreiben, ein Behälter mit synthetischem Penicillin und ein winziger Schalter – die oft vergessene Genese einer Komponente, die für die moderne Forschung von entscheidender Bedeutung ist Quanten-Computing. Der Schalter – besser bekannt als Kryotron – wurde Anfang des Jahres im Lincoln Laboratory des MIT vorgestellt und als vielversprechende neue Technologie angesehen, die der Schlüssel sein könnte, um riesige Computer aus der Zeit des Kalten Krieges auf einen Bruchteil ihrer Größe zu schrumpfen.

Das Kryotron war die Idee von Dudley Allen Buck, SM ’52, ScD ’58. Als Scoutmaster und methodistischer Jugendberater trat Buck 1950 ins MIT ein, nachdem er zwei Jahre in der Kryptografieabteilung der Marine verbracht hatte. Er begann seine Zeit am MIT als wissenschaftlicher Assistent am Projekt Whirlwind, das einen massiven Hochgeschwindigkeits-Digitalcomputer entwickelte, dessen Design schließlich zum Rückgrat des amerikanischen Luftverteidigungssystems wurde. Whirlwind war riesig, sowohl im übertragenen als auch im wörtlichen Sinne. Es nahm eine Fläche von 2.500 Quadratfuß im Barta-Gebäude des MIT (jetzt Gebäude N42) ein und wurde gebaut, bevor der Transistor weit verbreitet war; Es führte zunächst Berechnungen mit Tausenden von Vakuumröhren durch, die in komplizierten Schaltkreisen angeordnet waren.

Noch bevor er 1952 seinen Master machte, begann Buck über Möglichkeiten nachzudenken, kleinere, schnellere Logikschalter herzustellen, die keine Vakuumröhren verwendeten. Er wollte Schaltkreise schaffen, die so leistungsfähig sind, dass, wie er es später ausdrückte, ein großer digitaler Computer hergestellt werden kann, der einen Kubikfuß einnimmt. Bis Dezember 1953 hatte Buck einen Plan für den Bau eines besseren Schalters. Während Vakuumröhren auf Wärme angewiesen sind, um Elektronen zum Fließen zu bringen, stellte er sich einen Schalter aus Materialien vor, die Strom ohne elektrischen Widerstand leiten können, wenn sie auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden. Diese Supraleiter, so seine Theorie, könnten so dünn wie zwei einzelne Drähte sein und es ermöglichen, Computer zu bauen, die genauso leistungsfähig wie Whirlwind – und viel energieeffizienter – sind, ohne sperrige Röhren zu verwenden.



Buck verbrachte die nächsten zwei Jahre im Lincoln Lab des MIT, wo er Prototypen seines Schalters baute. Er entschied sich schließlich für ein einfach herzustellendes Design, das zwei supraleitende Metalle verwendete: einen geraden, 2,5 cm langen Draht aus Tantal, um den ein zweiter Draht aus Niob gewickelt war. Bei oder unter 4,2 K – eine Temperatur, die er erreichte, indem er beide Drähte in flüssiges Helium tauchte – leitete das Tantal Strom ohne Widerstand. Aber das Pumpen von Strom durch das gewickelte Niob erzeugte ein Magnetfeld, das bewirkte, dass der Tantaldraht eher einen normalen als einen supraleitenden Zustand annahm, sodass die Forscher den Schalter nur mit elektrischen Signalen ein- oder ausschalten konnten. Ein einzelnes Kryotron allein hatte eine begrenzte Leistung, aber eine Ansammlung von Schaltern, die so klein sind, dass 100 in einen Fingerhut passen, könnte die gleiche Verarbeitungsleistung bieten wie Vakuumröhren, die um Größenordnungen größer sind. Buck stellte Kryotron-Computer vor, jeder mit einem speziellen Kühlschrank namens Kryostat, der die Schalter kühl genug halten konnte, um zu funktionieren.

Buck meldete 1955 ein Patent für sein magnetisch gesteuertes Gatterelement an und veröffentlichte kurz darauf Informationen über seine Arbeit an die Öffentlichkeit, wobei er einräumte, dass die Technologie viel langsamer sei als Vakuumröhren und Transistoren und dass die Zuverlässigkeit von Kryotronschaltungen nicht bekannt sei. Trotz dieser Probleme erregte Bucks Forschung die Aufmerksamkeit sowohl des privaten Sektors als auch der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Von der NSA finanziert, arbeitete er daran, das Kryotron noch kleiner zu machen, und experimentierte damit, die Technologie auf dünne Filme zu drucken. In der Zwischenzeit starteten Ingenieure von A. D. Little, RCA, IBM und GE alle Kryotron-Forschungsprogramme.

Bis 1959 hatte Buck einen Preis vom Institute of Radio Engineers erhalten, seinen ScD erworben und war sowohl der MIT-Fakultät als auch dem wissenschaftlichen Beirat der NSA beigetreten. Doch im Mai 1959, weniger als einen Monat nach seinem 32. Geburtstag, starb er an einer plötzlichen Atemwegserkrankung. Dudley war nicht ehrgeizig für sich selbst, erinnerte sich einer seiner Schüler, Charles Crawford ’59, SM ’60, ScD ’62. Er war ehrgeizig für die Menschheit.

Das Interesse an der Kryotron-Technologie ließ Mitte der 1960er Jahre nach, als Silizium-Mikrochips, die billiger waren und keine Kühlung benötigten, zum Standard für die Logikschalter digitaler Computer wurden. Aber die Forschung an supraleitenden Materialien, die mit Buck begann, wird bis heute fortgesetzt. Der Josephson-Kontakt, eine modifizierte Version des Kryotrons, das in den 1960er Jahren eingeführt wurde, bleibt eine tragende Säule der Quantencomputerforschung.

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