拓扑量子计算路在何方？由撤稿引发的学术反思

光子盒研究院出品

匹兹堡大学物理学家Sergey Frolov在Nature发表了一篇评论文章，他在开篇写道：关于马约拉纳粒子的争论正在侵蚀人们对这个领域的信心。作者、审稿人和期刊编辑需要更多的责任感和开放性。

Frolov指的是3年前声称发现马约拉纳粒子的论文被撤回的事件，此次撤回是由Frolov和新南威尔士大学物理学家Vincent Mourik共同发起的。这被视为拓扑量子计算的一次重大危机。

正文如下：

阴影已经笼罩在寻找马约拉纳费米子的竞赛中，这种新型的量子粒子可以为量子计算机提供动力。作为在这一领域工作的人，我开始担心，在一系列的错误开始之后，在马约拉纳研究领域有相当一部分人在自欺欺人。一些声称发现了马约拉纳粒子的关键实验，最初被认为是突破性的，但尚未得到证实。

最近的一个案例以一篇Nature论文高调撤回而告终，这是我和我的同事Vincent Mourik发起的，他是澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家。我们在从原始实验中获得额外的数据后提出了一些担忧，这些数据并未包含在已发表的论文中。

事关重大。理论上，马约拉纳粒子是它们自己的反粒子，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年对此进行了预测。计算机巨头微软希望使用马约拉纳粒子来建造一台可靠的量子计算机：这些粒子应该可以制造出非常稳定的量子比特。他们的科学热情与引力波和希格斯玻色子（上帝粒子）不相上下。

在实验上，研究人员对于是否已经找到马约拉纳粒子意见不一，更不用说它们能否用作量子计算了。随着对这些说法的怀疑逐渐超出了人们的认知范围，尽管该领域前景未知，但它仍有可能获得坏名声。

在实验室生产马约拉纳粒子是非常困难的。这些实验结合了纳米技术、超导电性、器件工程和材料科学等前沿领域。

在最先进的方法中，研究人员必须首先生长一个纳米线晶体——这本身就是一项壮举——以产生一列直径为100纳米（人类头发宽度的千分之一）的原子。然后，他们必须将导线连接到一个足够灵敏的电路上，以测量通过它的单个电子。整个实验必须在比绝对零度高出百分之一度的温度下进行，磁场是地球磁场的10000倍。

理论上，在这些极端情况下，当导线中的所有电子都被磁化时，马约拉纳粒子应该会从导线的两端出现。

寻找马约拉纳信号的实验是通过将纳米线放入能够将其冷却到接近绝对零度的稀释制冷机中来进行的。

有100多个团体尝试过这个方法。有24人报告了马约拉纳现象。这些通常以特征电子信号的形式出现：当纳米线两端的电压变化时，电流出现窄峰值。2012年，我们是最早观察到这一点的团队之一。

很快出现了更多的论文。对电流量化值的检测，首先在理论上预测，然后在2017年的Science和2018年的Nature上发表的实验中报告，被许多人解释为马约拉纳粒子存在的最终证据。

2017年Science论文：

https://science.sciencemag.org/content/357/6348/294

2018年Nature论文：

https://www.nature.com/articles/nature26142

2020年，在进行了复制实验之后，这些观察结果受到了仔细审查。Science发表了一项由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的实验，与2017年的报告相矛盾。

我的小组复制了2018年Science研究的模式，但证明它们（指实验中的信号）不一定来自马约拉纳。我们对同一根纳米线的两端进行了核查，但只在一端发现了电流峰值。这违背了马约拉纳粒子总是成对出现的理论的基本预期。

另两篇声称在纳米线中发现马约拉纳粒子的论文，也没有得到证实。

两篇论文：

https://www.nature.com/articles/nature17162

https://science.sciencemag.org/content/367/6485/eaav3392

Science和Nature Communications的三篇对一种新的铁基超导体Fe(Te,Se)的电流峰值的报道，被认为是马约拉纳粒子存在的证据，今年在《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表后，需要更加细致入微。

三篇论文：

https://science.sciencemag.org/content/367/6474/189

https://science.sciencemag.org/content/362/6412/333

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21646-x

教训：马约拉纳粒子不是产生电流峰值信号的必要条件。自2014年以来，我们已经知道了一些更为平凡的解释，比如其他不是马约拉纳的量子态，纳米线缺陷引起的意外信号，或者许多电子的有趣但先前探索过的合作行为（见下图的“混合信号”）。然而，肯定性的论文不断出现，甚至没有提及其他解释。

来源：Frolov实验室

作为一个发表和评论过马约拉纳积极和消极主张的人，我感觉到了一个更广泛的问题。这场争论已经开始削弱人们对电流通过量子物体这一基本实验方法的信心，尽管这种强大的技术已经被用于许多重大发现，包括诺贝尔奖获得者对超导、量子霍尔效应和隧穿效应的观察。

已经开始影响我了。准研究生问我是否要停止马约拉纳的研究。审稿人认为是方法，而不是选择性的数据报告，导致了该领域的混乱。

在我看来，目前的基本方法没有错。我觉得选择性的数据呈现是主要问题。如果所有的论文都包含完整的或者至少是适当选择的数据集，量子物理学家就可以给出正确的解释，不管是不是马约拉纳粒子。

但我认为，研究人员正在挑挑拣拣——他们把重点放在符合马约拉纳理论的数据上，而把不符合马约拉纳理论的数据放在一边。例如，2020年一篇关于Fe(Te,Se)的Science论文报道了电流的量子化行为，作者在60个被评估的涡流中看到了这种行为。我认为一些不够严格的期刊和审稿人纵容了这些数据选择研究人员。(当被问及2020年的论文时，Science的发言人说，结果和结论，包括解释观察到的量化的替代机制，都被仔细地呈现出来。)

2020年Science论文：

https://science.sciencemag.org/content/367/6474/189

一次又一次，我和其他审稿人主张期刊不要发表基于选择性数据呈现的论文。有时候，如果一张图能说明全部情况，那么就真的不需要显示所有的数据了。但对于马约拉纳来说，仅仅通过搜索数据来识别合适高度的峰值是不够的，不足以证明其检测能力，尤其是当存在替代理论时。

在假设驱动的实验研究中，选择性偏差（selection bias）很容易影响结果。“最佳”数据通常被认为是符合理论的数据。因此，偏差很容易被认为是实验或人为错误，应该被丢弃。

另一个问题是需要广泛的同行评议来审查马约拉纳粒子的研究。在任何多学科领域，审查都是困难的。审查人往往只擅长一门学科，难以评判其他学科，这就留下了空白。例如，一个理论物理学家可能会轻松地评估计算，但不会评估实验过程，而一个了解如何生长纳米线的材料科学家可能会跳过理论部分。但要正确评估这项研究，还需要对整个研究有一个整体的看法。

这是一个非常熟悉的故事。Nature对化学、生物、物理、工程和医学领域的“再现性危机”进行了调查，结果的选择性报告是罪魁祸首。（光子盒注：再现性危机指的是研究结果很难复制或再现。）

我们已经看到了几十年了。物理学家Robert Millikan在一个多世纪前的油滴实验中遗漏了一些数据点，这是出了名的。他确实接近了电子电荷的实际值——但科学不能依赖于这种侥幸。一些马约拉纳的论文由于数据的选择而变得不可靠。

凝聚态物理界的行为规范需要更新。只有一个解决办法，那就是全面加强问责制。以下步骤将有助于马约拉纳研究和其他领域。

凝聚态物理学界的行为规范需要更新。解决办法只有一个，那就是全面加强问责制。我认为以下步骤将有助于马约拉纳和其他领域的研究。

开放数据。科学家应该公开实验中的所有数据，并遵守共享标准，如FAIR(可查找性、可访问性、互操作性和可重用性)。一些补救措施是必不可少的。现代物理实验室收集的数据量很大：计算机脚本控制设备，设备可能一天24小时运行。一种补救办法是清楚地解释用于执行任何数据选择的方案，这样其他人就可以重用或审查它。记住，数据选择是数据处理的一种形式。

期刊、资助者（包括公司）、研究实验室和大学应该要求这样的开放数据实践，就像他们在临床试验、基因组学、地球科学和其他一些学科中所做的那样。共享数据可以提高可靠性和促进协作并加快进度。例如，高能物理社区可以教其他人如何分享研究方案，以便每篇论文都可以重复或再现。

虽然不广为人知，但许多出版政策和政府研究行为准则已经要求获得更多的数据。值得注意的是，与其他国家在研究上投入巨资相比，美国没有国家法规。需要进一步努力使这种共享自动化，而不是“应要求”进行。正如最近从Nature撤回的马约拉纳粒子论文，看到完整的数据对于评估一项实验至关重要。

批评者会反驳说，简单地分享数据并不能捕捉到实验室里发生的一切，经验和洞察力——工艺——具有无法描述的价值。但是我认为，健康、有用的科学是建立在可靠的过程之上的，这些过程可以根据需要多次被重新审视、验证和审查。

开放流程。评论家需要更多地质疑非凡的主张。结果好到不真实吗？有足够的数据吗？是否考虑过其他解释？应该对其进行核查，这样就很难提出不可靠的主张。对于马约拉纳物理学来说，这就像将电流峰值的磁场和电场依赖性与理论预期进行比较一样，是基本要求。如果坚持这样做，将避免许多虚假的主张。

然而，即使是最严格的审查也可以忽略不计。如果论文被拒绝，作者可以不理会他们的所有意见，并把他们的手稿寄给另一家杂志。我曾看到关于马约拉纳的论文在另一个备受关注的期刊上发表，这些论文因科学原因遭到多次负面评论和拒绝，但也只做了一些小改动。开放不透明的出版流程是减少不良研究泛滥的关键。

编辑们应该负起责任：即使他们对那篇论文的主题缺乏深入的专业知识，最终也是由他们来决定的。每一篇被接受的论文都应该附有编辑的名字。对于每一次撤回，编辑应该提供他们对所发生事情的看法。所有期刊，尤其是影响力大的期刊，都需要社区监督。编辑撤回应该得到广泛的应用，因为等待作者自己撤回论文可能需要很长时间。目前，大多数期刊都没有能力对论文中的错误进行调查。他们应该在研究界的帮助下建立这种能力。

期刊因发表负面评论和规范物理学中的验证研究而值得称赞。愿意分享研究成果的研究人员应该受到应有的关注。例如，美国物理学会（APS）在其2021年3月的年会上就Majorana的负面结果举办了一次特邀会议。

马约拉纳的研究怎么样？它仍然是可行和重要的。在我看来，关键的成果还没有做出。现在需要集中精力改进我们的纳米线材料、实验技术和数据分析，以及梳理出替代的解释。我们需要可靠的证据来证明这些粒子确实是它们自己的反粒子——盯着完整的数据。

只有到那时，我们才能准备好开发马约拉纳量子计算机。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00954-8#ref-CR10

—End—

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