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不严谨还是学术不端?《自然》马约拉纳费米子研究撤稿引争议




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撰文  冯丽妃
编辑 宗华


3月初,顶级学术期刊《自然》发布了今年首个撤稿信息,计算机巨头微软资助的一项颠覆性量子物理学研究被证明站不住脚。


这篇发表于2018年3月底的论文曾“非常轰动”——被认为最终找到了马约拉纳费米子存在的确凿证据,为更先进的拓扑量子计算铺平了道路。


然而,该论文却受到质疑,经邀请的同行知名专家独立调查后被证实存在剪切、删除数据等操作,且结论并不成立。时隔三年,最终作者主动要求撤稿。


不过,事情并未就此了结。论文作者和检举者对此次撤稿是否为学术不端的定性仍各执一词。


作者在撤稿声明中就“科学严谨性不充分”而致歉。但近日,该论文的两位质疑者和其他一些研究者却认为,上述操作实际上是“学术不端”。


那么,论文数据处理从可接受到学术不端的边界在哪里?这一事件对于势头正劲的量子计算研究会有何影响?如何防止类似现象再发生?《中国科学报》就此采访了相关专家。


里程碑发现遭质疑后撤稿

2018年3月28日,荷兰代尔夫特理工大学物理学教授、受雇于微软的利奥·考文霍温(Leo Kouwenhoven)带领团队在《自然》发表论文称,在半导体纳米线中观测到马约拉纳费米子存在的有力证据。


这篇题为《量子化的马约拉纳电导》的论文一经发表就广受关注,被认为是一篇具有里程碑意义的文章。


微软希望利用马约拉纳粒子来建造量子计算机,而其竞争对手IBM、谷歌和英特尔已经建立了约有50个量子位的量子处理器原型。但量子态很脆弱,容易被热噪声或电磁噪声所干扰,这使得量子比特(量子信息计量单位)容易出错。


而超越传统的量子计算机只有拥有足够多量子比特和低错误率,才能实现量子计算的优越性。


受到拓扑保护的马约拉纳粒子被认为更可靠,可以制造出抗环境干扰的量子比特,有利于建造具有容错能力的拓扑量子计算机。论文发表后,微软声称将在“五年内”推出商用量子计算机。


然而,上述论文的可靠性很快便受到质疑。


2019年11月24日,考文霍温团队的一名研究者悄悄将已发表的论文、实验笔记和关于量子化平台的数据资料打包,发给了此前曾在团队工作的两名“大师兄”:美国匹兹堡大学副教授谢尔盖·弗罗洛夫(Sergey Frolov)和澳大利亚新南威尔士大学的文森特·穆里克(Vincent Mourik)


2012年两人曾与导师考文霍温合作,在《科学》杂志上报告了在纳米线器件中观察到马约拉纳费米子特征的突破性发现。这项发现使得考文霍温领导的实验室在准粒子探索和量子计算方面变得非常有名。微软于2016年聘请考文霍温负责基于马约拉纳粒子原理的量子计算项目。


弗罗洛夫和穆里克对比发现,2018年的论文数据与核心观点互相矛盾。他们质疑,论文中的数据存在人为剪切后拼接的痕迹;另外还存在人为选择数据的问题,不支持作者核心观点的数据都被删了。


2020年4月29日,《自然》对该论文表达了“编辑关注”。其中,论文作者承认,其在处理这篇论文的原始数据的方式上存在潜在的问题,可能会影响结论的可靠性。该“关注”说明还提示读者“勿使用该研究的结果”。


随后,《自然》启动撤稿调查程序。


代尔夫特理工大学研究诚信委员会也开始调查该论文的研究、数据分析和写作是否合规。该委员会调查报告最后认为,作者们在论文中选取了支持他们研究目标的数据。调查专家认为,这可能是因为“作者当时太过热情,没有对不符合他们目的的数据给予足够的关注”。


最终,考文霍温和21位合作者撤回了发表在《自然》的文章,称当前的实验结果并不能证实发现了马约拉纳费米子。


不严谨还是学术不端?

“花了一年半时间,做了大量的分析、说服、讨论和解释,这篇论文终于被撤回了,这让我们松了一口气。”在北京时间4月10日凌晨就这一撤稿举行的“炉边对话”网络研讨会上,穆里克说。


不过,撤稿并非此次事件的终结,让他和弗罗洛夫“较真”的还有此次撤稿是否为学术不端的定性问题,以及如何让类似问题不再发生。


他们认为,造成此次撤稿的原因虽然不是“捏造数据”,但其中的“删除关键数据”“操纵数据”也属于学术不端。例如,原文忽略了较大参数范围的测量结果,选用支持结论的较小参数范围。原文还存在数据删剪问题。如剪除了不利于结论的电荷跳跃数据(包含低于量化电导的零偏压峰和与结论不一致的峰分裂),让实验数据与作者的观点相匹配。


“他们忽略了一些直接与论文内容相矛盾的数据。从更全面的数据来看,毫无疑问,这项研究并不能证明零偏置电导量子化的存在。”弗罗洛夫说。


在《自然》3月8日发表的撤稿声明中,作者们也坦承,原文中对电荷跳跃相关数据的处理存在“不必要的校正”等问题。但他们将这些归结为“科学严谨性不充分”,并就此致歉。


不过,在接受《中国科学报》采访时,香港科技大学物理学教授戴希认为,这种数据选择和处理行为不仅仅是“不严谨”,而应该属于“学术不端”的范畴。


“在物质科学领域,最知名的学术不端案例是贝尔实验室的舍恩造假案。这位德国科学家无中生有,炮制了大量的假文章。”戴希说,“舍恩的做法太离谱,使得一些研究人员产生错觉,以为只有数据编造才是学术不端,甚至拿来做掩护,这当然是不对的。”


对此,诺奖获得者科学联盟(LSA)发起人、主席理查德·罗伯茨(Richard J. Roberts)在接受《中国科学报》采访时也曾表示,对科技论文中使用的论据图像/数据处理有两种行为。一种是无害的,只涉及为突出表述目标而进行的调整。第二种是有意对图片/数据进行删改,以显示支持论文结果的“数据”,但这实际上会让文章结论不成立。“这是非常糟糕的,是不当行为。”他认为,预防这类问题,最好的办法是在所有人进入科研领域初期就开始进行道德伦理教育。


戴希也建议,各大学术机构应该对原始数据的采集、备份有严格的统一管理制度,原始数据产生以后不能修改,封存一段时间,如果有疑问可以有据可查。


“科学需要时间,有时需要很长的时间来取得进展,我们可以把这次的事件作为一个反思的机会。”乌德勒支大学物理学教授Zeila Zanolli在4月10日的讨论会上说。


最终,代尔夫特理工大学研究诚信委员会将如何处理这一事件尚未可知。


现为清华大学物理系副教授的张浩曾在考文霍温实验室工作。他也是此次Nature撤稿论文的第一作者(共3位一作)兼通讯作者(共2位通讯作者)。通常,一作和通讯作者在论文署名方面都居于重要地位。《中国科学报》通过电子邮件试图采访张浩,但截至发稿前,张浩未作回应。


量子计算可重复性的危机?

对于微软雄心勃勃的量子霸权目标来说,此次《自然》撤稿事件显然是一个挫折。


不过,让更多科学家担忧的是,近年来围绕着发表的多篇重量级马约拉纳粒子研究结果的争议,可能会带来量子计算的可重复性危机。


粒子都有其反粒子,它们相遇时会湮灭并释放能量。1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)提供了另一种预测:一些粒子“正反同体”,自己就是自己的反粒子,也就是马约拉纳费米子。经过80多年的研究,这种粒子是否存在始终扑朔迷离。


例如,2017年7月,国内外华人科学家何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆等合作在《科学》杂志上报告称发现了手性马约拉纳费米子(只沿一个方向运动,通常被认为有可能用来实现低能耗的信息传输和处理)的存在,轰动一时。张首晟将手性马约拉纳费米子称为“天使粒子”。


但宾夕法尼亚州立大学物理系助理教授常翠祖等人2020年发表在《科学》上的另一篇研究却表示与2017年的结果相矛盾。常翠祖等研究人员报告称,在30多个样品上均未能找到“天使粒子”存在的证据,并认为此前的“发现”有可能用更为平庸的“短路”机制解释。


同时,研究人员也无法证实丹麦哥本哈根大学教授查尔斯·马库斯(Charles Marcus)等人发表在《自然》(2016)和《科学》(2020)上的另外两项结果,这两项研究均声称在纳米线中发现了马约拉纳机制。


“这些研究的可重复性问题在逐渐削弱人们对利用电流通过量子物态实现量子计算的基本实验方法的信心。”弗罗洛夫在近日发表于《自然》的一篇评论中表示。


不过,在他看来,主要问题在于选择性的数据发表,而非研究方法本身。对此,他主张,在全面加强问责制的同时,增加科学发表的公开性。


目前,马约拉纳粒子的研究仍在继续。戴希认为,尽管此次《自然》撤稿可能会影响到这个领域今后几年的资助强度,但这不见得是坏事。“泡沫迟早会戳破,有一个定期戳破泡沫的机制,才能保障一个健康的工作环境。”


“马约拉纳零能模肯定是存在的,我对此充满信心。现在就是一个材料工艺的问题,非常难,但应该没有原则性的困难,相信实验物理学家最终一定会克服的。”他补充说。据介绍,马约拉纳费米子可被用于形成马约拉纳零能模,例如在某些超导体中,被量子磁涡旋束缚的零能量态。


相关领域的研究人员依然保持着极大的信心。普林斯顿大学教授阿里·亚兹达尼(Ali Yazdani)表示,“尽管这是退后了一步,但这就是我们向前进步的方式。”马里兰大学理论物理学研究者桑卡尔·达斯·萨尔马(Sankar Das Sarma)则认为马约拉纳零能模的物理完全没有问题,现在只是一个材料制备技术问题。


弗罗洛夫也表示,在实验室中产生马约拉纳费米子非常困难。实验需要结合纳米技术、超导、器件工艺和材料科学等前沿领域。


在最先进的方法中,科学家必须首先合成出半导体晶体纳米线——直径为100纳米(相当于头发丝直径千分之一)的原子柱。然后,他们要将这根线连接到足够灵敏的电路上,以实现通过它的单电子测量。而且整个实验必须在接近绝对零度的大约百分之一度的温度下,以及相当于地球磁场1万倍的环境中进行。


我国科学家在马约拉纳束缚态方面研究的贡献

最近十年内,我国科学家在超导体表面的磁通涡旋内寻找马约拉纳零能模这一领域做出了一系列的原创性工作。


2015年,上海交通大学贾金锋团队在拓扑绝缘体Bi2Te3与超导体NbSe2的异质结的表面首次发现了磁通涡旋内的零能束缚态。两年后,该实验团队重新用自旋极化的电子检测了这个零能束缚态。实验结果证实了这个零能束缚态的自旋极化性质,这一点是与理论对马约拉纳束缚态的预期是一致的。


2018年,中国科学院物理研究所的高鸿钧、丁洪联合团队首次在铁基超导体Fe(Te,Se)的表面磁通涡旋发现了零能束缚态。一系列实验表明这个零能束缚态与马约拉纳束缚态具有许多相同的性质。


该零能束缚态随后被日本理化学研究所(RIKEN)的一个研究组用更为精细的实验重复出来。之后,复旦大学的封东来团队也在另一个铁基超导体材料(Li0.84Fe0.16)OHFeSe中发现了该零能束缚态。更进一步的量子电导实验表明,无论是在Fe(Te,Se)还是(Li0.84Fe0.16)OHFeSe中,该零能束缚态都具有近量子化的电导平台。然而,实验上还需要更多的证据,比如这个零能束缚态的自旋极化性质、非阿贝尔统计性质等来最终证明其是否为马约拉纳束缚态。


那么,人类实现马约拉纳量子计算的目标还需要多远呢?


从1926年申请第一个晶体管专利,到1947年制造出第一台可工作的晶体管,再到20世纪50年代末研发出让计算机产业得以发展的集成电路硅版本,人类用了30年的时间。桑卡尔·达斯·萨尔马认为,目前的马约拉纳量子计算技术可能处于首个晶体管的水平,真正实现马约拉纳量子计算或许还需要30年。


参考文献

https://www.nature.com/articles/nature26142
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2252-6
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03373-x
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00954-8
https://science.sciencemag.org/content/336/6084/1003
https://www.nature.com/articles/nature17162
https://doi.org/10.1126/science.aav3392
https://arxiv.org/abs/2101.10794
https://arxiv.org/abs/2008.02348
https://journals.aps.org/prl/cited-by/10.1103/PhysRevLett.114.017001?page=5
https://science.sciencemag.org/content/362/6412/333
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.041056
https://www.msra.cn/zh-cn/news/features/ai-talk-hao-zhang
https://www.nature.com/articles/nature17162
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00612-z

本文经授权转载自微信公众号“科学网”。


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