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Il piccolo interruttore che lo ha quasi reso grande
Nel gennaio 2015, mentre scavavano le fondamenta di quella che un giorno sarà la struttura di ricerca sulle nanotecnologie del MIT, gli operai edili hanno portato alla luce un misterioso tubo di vetro. Era una capsula del tempo che era stata sepolta nel 1957 con l'istruzione che doveva rimanere sigillata per 1.000 anni. La capsula è rimasta chiusa, ma i registri del Museo del MIT ne hanno rivelato il contenuto: ricordi, documenti che descrivono in dettaglio lo stato del MIT negli anni '50, un contenitore di penicillina sintetica e un minuscolo interruttore: la genesi spesso dimenticata di un componente cruciale per la ricerca moderna calcolo quantistico. Svelato al Lincoln Laboratory del MIT all'inizio di quell'anno, l'interruttore, meglio noto come criotrone, è stato visto come una nuova tecnologia promettente che potrebbe essere la chiave per ridurre i computer giganti dell'era della Guerra Fredda a una frazione delle loro dimensioni.
Il criotrone è stato ideato da Dudley Allen Buck, SM '52, ScD '58. Capo scout e consigliere metodista per i giovani, Buck entrò nel MIT nel 1950 dopo aver trascorso due anni nell'unità di crittografia della Marina. Ha iniziato il suo incarico al MIT come assistente di ricerca sul Progetto Whirlwind, che stava sviluppando un enorme computer digitale ad alta velocità il cui design alla fine divenne la spina dorsale del sistema di difesa aerea americano. Whirlwind era enorme, sia in senso figurato che letterale. Occupando 2.500 piedi quadrati di spazio nel Barta Building del MIT (ora Building N42), fu costruito prima che il transistor fosse in ampia circolazione; inizialmente eseguiva calcoli utilizzando migliaia di tubi a vuoto disposti in circuiti complicati.
Anche prima di conseguire il master nel 1952, Buck iniziò a pensare a come realizzare interruttori logici più piccoli e veloci che non utilizzassero tubi a vuoto. Voleva creare circuiti così potenti che, come disse in seguito, un computer digitale su larga scala può occupare un piede cubo. Nel dicembre 1953, Buck aveva un piano per costruire un interruttore migliore. Mentre i tubi a vuoto si basano sul calore per far fluire gli elettroni, ha immaginato un interruttore realizzato con materiali in grado di condurre corrente senza resistenza elettrica quando raffreddato a temperature estremamente basse. Questi superconduttori, ha teorizzato, potrebbero essere sottili come due fili singoli e consentirebbe di costruire computer potenti quanto Whirlwind - e molto più efficienti dal punto di vista energetico - senza utilizzare tubi ingombranti.
Buck trascorse i due anni successivi al Lincoln Lab del MIT costruendo prototipi del suo interruttore. Alla fine ha optato per un progetto facilmente fabbricabile che utilizzava due metalli superconduttori: un filo dritto, lungo un pollice, fatto di tantalio con un secondo filo di niobio avvolto attorno ad esso. A una temperatura pari o inferiore a 4,2 K, una temperatura raggiunta immergendo entrambi i fili nell'elio liquido, il tantalio conduceva corrente senza resistenza. Ma il pompaggio di corrente attraverso il niobio avvolto ha generato un campo magnetico che ha fatto sì che il filo di tantalio assumesse uno stato normale anziché superconduttivo, quindi i ricercatori hanno potuto accendere o spegnere l'interruttore utilizzando solo segnali elettrici. Di per sé, un singolo criotrone aveva una potenza limitata, ma un insieme di interruttori così piccoli che 100 si adattano a un ditale potrebbe offrire la stessa potenza di elaborazione dei tubi a vuoto che erano ordini di grandezza più grandi. Buck immaginava i computer criotroni, ciascuno con un frigorifero personalizzato chiamato criostato che poteva mantenere gli interruttori abbastanza freddi da funzionare.
Buck ha depositato un brevetto per il suo elemento di gate a controllo magnetico nel 1955 e poco dopo ha rilasciato al pubblico informazioni sul suo lavoro, ammettendo che la tecnologia era molto più lenta delle valvole a vuoto e dei transistor e che l'affidabilità dei circuiti del criotrone non è nota. Nonostante questi problemi, la ricerca di Buck ha ottenuto l'attenzione sia del settore privato che della comunità scientifica. Finanziato dalla NSA, ha lavorato per rendere il criotrone ancora più piccolo, sperimentando la stampa della tecnologia su film sottili. Nel frattempo, gli ingegneri di A.D. Little, RCA, IBM e GE hanno tutti lanciato programmi di ricerca sui criotroni.
Nel 1959 Buck ricevette un premio dall'Institute of Radio Engineers, ottenne il suo ScD e si unì sia alla facoltà del MIT che allo Scientific Advisory Board della NSA. Ma nel maggio del 1959, meno di un mese dopo il suo 32esimo compleanno, morì per un'improvvisa malattia respiratoria. Dudley non era ambizioso per se stesso, ha ricordato uno dei suoi studenti, Charles Crawford '59, SM '60, ScD '62. Era ambizioso per la razza umana.
L'interesse per la tecnologia del criotrone diminuì a metà degli anni '60, quando i microchip al silicio, che erano più economici e non necessitavano di refrigerazione, divennero lo standard per gli interruttori logici dei computer digitali. Ma la ricerca sui materiali superconduttori iniziata con Buck continua ancora oggi. La giunzione Josephson, una versione modificata del criotrone introdotta negli anni '60, rimane un pilastro della ricerca sull'informatica quantistica.