不嚴謹還是學術不端？《自然》馬約拉納費米子研究撤稿引爭議_風聞

返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-04-16 10:41

2021-04-16

撰文 | 馮麗妃

編輯 | 宗華

3月初，頂級學術期刊《自然》發佈了今年首個撤稿信息，計算機巨頭微軟資助的一項顛覆性量子物理學研究被證明站不住腳。

這篇發表於2018年3月底的論文曾“非常轟動”——被認為最終找到了馬約拉納費米子存在的確鑿證據，為更先進的拓撲量子計算鋪平了道路。

然而，該論文卻受到質疑，經邀請的同行知名專家獨立調查後被證實存在剪切、刪除數據等操作，且結論並不成立。時隔三年，最終作者主動要求撤稿。

不過，事情並未就此了結。論文作者和檢舉者對此次撤稿是否為學術不端的定性仍各執一詞。

作者在撤稿聲明中就“科學嚴謹性不充分”而致歉。但近日，該論文的兩位質疑者和其他一些研究者卻認為，上述操作實際上是“學術不端”。

那麼，論文數據處理從可接受到學術不端的邊界在哪裏？這一事件對於勢頭正勁的量子計算研究會有何影響？如何防止類似現象再發生？《中國科學報》就此採訪了相關專家。

里程碑發現遭質疑後撤稿

2018年3月28日，荷蘭代爾夫特理工大學物理學教授、受僱於微軟的利奧·考文霍温（Leo Kouwenhoven）帶領團隊在《自然》發表論文稱，在半導體納米線中觀測到馬約拉納費米子存在的有力證據。

這篇題為《量子化的馬約拉納電導》的論文一經發表就廣受關注，被認為是一篇具有里程碑意義的文章。

微軟希望利用馬約拉納粒子來建造量子計算機，而其競爭對手IBM、谷歌和英特爾已經建立了約有50個量子位的量子處理器原型。但量子態很脆弱，容易被熱噪聲或電磁噪聲所幹擾，這使得量子比特（量子信息計量單位）容易出錯。

而超越傳統的量子計算機只有擁有足夠多量子比特和低錯誤率，才能實現量子計算的優越性。

受到拓撲保護的馬約拉納粒子被認為更可靠，可以製造出抗環境干擾的量子比特，有利於建造具有容錯能力的拓撲量子計算機。論文發表後，微軟聲稱將在“五年內”推出商用量子計算機。

然而，上述論文的可靠性很快便受到質疑。

2019年11月24日，考文霍温團隊的一名研究者悄悄將已發表的論文、實驗筆記和關於量子化平台的數據資料打包，發給了此前曾在團隊工作的兩名“大師兄”：美國匹茲堡大學副教授謝爾蓋·弗羅洛夫（Sergey Frolov）和澳大利亞新南威爾士大學的文森特·穆裏克（Vincent Mourik）。

2012年兩人曾與導師考文霍温合作，在《科學》雜誌上報告了在納米線器件中觀察到馬約拉納費米子特徵的突破性發現。這項發現使得考文霍温領導的實驗室在準粒子探索和量子計算方面變得非常有名。微軟於2016年聘請考文霍温負責基於馬約拉納粒子原理的量子計算項目。

弗羅洛夫和穆裏克對比發現，2018年的論文數據與核心觀點互相矛盾。他們質疑，論文中的數據存在人為剪切後拼接的痕跡；另外還存在人為選擇數據的問題，不支持作者核心觀點的數據都被刪了。

2020年4月29日，《自然》對該論文表達了“編輯關注”。其中，論文作者承認，其在處理這篇論文的原始數據的方式上存在潛在的問題，可能會影響結論的可靠性。該“關注”説明還提示讀者“勿使用該研究的結果”。

隨後，《自然》啓動撤稿調查程序。

代爾夫特理工大學研究誠信委員會也開始調查該論文的研究、數據分析和寫作是否合規。該委員會調查報告最後認為，作者們在論文中選取了支持他們研究目標的數據。調查專家認為，這可能是因為“作者當時太過熱情，沒有對不符合他們目的的數據給予足夠的關注”。

最終，考文霍温和21位合作者撤回了發表在《自然》的文章，稱當前的實驗結果並不能證實發現了馬約拉納費米子。

不嚴謹還是學術不端？

“花了一年半時間，做了大量的分析、説服、討論和解釋，這篇論文終於被撤回了，這讓我們鬆了一口氣。”在北京時間4月10日凌晨就這一撤稿舉行的“爐邊對話”網絡研討會上，穆裏克説。

不過，撤稿並非此次事件的終結，讓他和弗羅洛夫“較真”的還有此次撤稿是否為學術不端的定性問題，以及如何讓類似問題不再發生。

他們認為，造成此次撤稿的原因雖然不是“捏造數據”，但其中的“刪除關鍵數據”“操縱數據”也屬於學術不端。例如，原文忽略了較大參數範圍的測量結果，選用支持結論的較小參數範圍。原文還存在數據刪剪問題。如剪除了不利於結論的電荷跳躍數據（包含低於量化電導的零偏壓峯和與結論不一致的峯分裂），讓實驗數據與作者的觀點相匹配。

“他們忽略了一些直接與論文內容相矛盾的數據。從更全面的數據來看，毫無疑問，這項研究並不能證明零偏置電導量子化的存在。”弗羅洛夫説。

在《自然》3月8日發表的撤稿聲明中，作者們也坦承，原文中對電荷跳躍相關數據的處理存在“不必要的校正”等問題。但他們將這些歸結為“科學嚴謹性不充分”，並就此致歉。

不過，在接受《中國科學報》採訪時，香港科技大學物理學教授戴希認為，這種數據選擇和處理行為不僅僅是“不嚴謹”，而應該屬於“學術不端”的範疇。

“在物質科學領域，最知名的學術不端案例是貝爾實驗室的舍恩造假案。這位德國科學家無中生有，炮製了大量的假文章。”戴希説，“舍恩的做法太離譜，使得一些研究人員產生錯覺，以為只有數據編造才是學術不端，甚至拿來做掩護，這當然是不對的。”

對此，諾獎獲得者科學聯盟（LSA）發起人、主席理查德·羅伯茨（Richard J. Roberts）在接受《中國科學報》採訪時也曾表示，對科技論文中使用的論據圖像/數據處理有兩種行為。一種是無害的，只涉及為突出表述目標而進行的調整。第二種是有意對圖片/數據進行刪改，以顯示支持論文結果的“數據”，但這實際上會讓文章結論不成立。“這是非常糟糕的，是不當行為。”他認為，預防這類問題，最好的辦法是在所有人進入科研領域初期就開始進行道德倫理教育。

戴希也建議，各大學術機構應該對原始數據的採集、備份有嚴格的統一管理制度，原始數據產生以後不能修改，封存一段時間，如果有疑問可以有據可查。

“科學需要時間，有時需要很長的時間來取得進展，我們可以把這次的事件作為一個反思的機會。”烏德勒支大學物理學教授Zeila Zanolli在4月10日的討論會上説。

最終，代爾夫特理工大學研究誠信委員會將如何處理這一事件尚未可知。

現為清華大學物理系副教授的張浩曾在考文霍温實驗室工作。他也是此次Nature撤稿論文的第一作者（共3位一作）兼通訊作者（共2位通訊作者）。通常，一作和通訊作者在論文署名方面都居於重要地位。《中國科學報》通過電子郵件試圖採訪張浩，但截至發稿前，張浩未作回應。

量子計算可重複性的危機？

對於微軟雄心勃勃的量子霸權目標來説，此次《自然》撤稿事件顯然是一個挫折。

不過，讓更多科學家擔憂的是，近年來圍繞着發表的多篇重量級馬約拉納粒子研究結果的爭議，可能會帶來量子計算的可重複性危機。

粒子都有其反粒子，它們相遇時會湮滅並釋放能量。1937年，意大利物理學家埃託雷·馬約拉納（Ettore Majorana）提供了另一種預測：一些粒子“正反同體”，自己就是自己的反粒子，也就是馬約拉納費米子。經過80多年的研究，這種粒子是否存在始終撲朔迷離。

例如，2017年7月，國內外華人科學家何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆等合作在《科學》雜誌上報告稱發現了手性馬約拉納費米子（只沿一個方向運動，通常被認為有可能用來實現低能耗的信息傳輸和處理）的存在，轟動一時。張首晟將手性馬約拉納費米子稱為“天使粒子”。

但賓夕法尼亞州立大學物理系助理教授常翠祖等人2020年發表在《科學》上的另一篇研究卻表示與2017年的結果相矛盾。常翠祖等研究人員報告稱，在30多個樣品上均未能找到“天使粒子”存在的證據，並認為此前的“發現”有可能用更為平庸的“短路”機制解釋。

同時，研究人員也無法證實丹麥哥本哈根大學教授查爾斯·馬庫斯（Charles Marcus）等人發表在《自然》（2016）和《科學》（2020）上的另外兩項結果，這兩項研究均聲稱在納米線中發現了馬約拉納機制。

“這些研究的可重複性問題在逐漸削弱人們對利用電流通過量子物態實現量子計算的基本實驗方法的信心。”弗羅洛夫在近日發表於《自然》的一篇評論中表示。

不過，在他看來，主要問題在於選擇性的數據發表，而非研究方法本身。對此，他主張，在全面加強問責制的同時，增加科學發表的公開性。

目前，馬約拉納粒子的研究仍在繼續。戴希認為，儘管此次《自然》撤稿可能會影響到這個領域今後幾年的資助強度，但這不見得是壞事。“泡沫遲早會戳破，有一個定期戳破泡沫的機制，才能保障一個健康的工作環境。”

“馬約拉納零能模肯定是存在的，我對此充滿信心。現在就是一個材料工藝的問題，非常難，但應該沒有原則性的困難，相信實驗物理學家最終一定會克服的。”他補充説。據介紹，馬約拉納費米子可被用於形成馬約拉納零能模，例如在某些超導體中，被量子磁渦旋束縛的零能量態。

相關領域的研究人員依然保持着極大的信心。普林斯頓大學教授阿里·亞茲達尼（Ali Yazdani）表示，“儘管這是退後了一步，但這就是我們向前進步的方式。”馬里蘭大學理論物理學研究者桑卡爾·達斯·薩爾馬（Sankar Das Sarma）則認為馬約拉納零能模的物理完全沒有問題，現在只是一個材料製備技術問題。

弗羅洛夫也表示，在實驗室中產生馬約拉納費米子非常困難。實驗需要結合納米技術、超導、器件工藝和材料科學等前沿領域。

在最先進的方法中，科學家必須首先合成出半導體晶體納米線——直徑為100納米（相當於頭髮絲直徑千分之一）的原子柱。然後，他們要將這根線連接到足夠靈敏的電路上，以實現通過它的單電子測量。而且整個實驗必須在接近絕對零度的大約百分之一度的温度下，以及相當於地球磁場1萬倍的環境中進行。

我國科學家在馬約拉納束縛態方面研究的貢獻

最近十年內，我國科學家在超導體表面的磁通渦旋內尋找馬約拉納零能模這一領域做出了一系列的原創性工作。

2015年，上海交通大學賈金鋒團隊在拓撲絕緣體Bi2Te3與超導體NbSe2的異質結的表面首次發現了磁通渦旋內的零能束縛態。兩年後，該實驗團隊重新用自旋極化的電子檢測了這個零能束縛態。實驗結果證實了這個零能束縛態的自旋極化性質，這一點是與理論對馬約拉納束縛態的預期是一致的。

2018年，中國科學院物理研究所的高鴻鈞、丁洪聯合團隊首次在鐵基超導體Fe(Te,Se)的表面磁通渦旋發現了零能束縛態。一系列實驗表明這個零能束縛態與馬約拉納束縛態具有許多相同的性質。

該零能束縛態隨後被日本理化學研究所（RIKEN）的一個研究組用更為精細的實驗重複出來。之後，復旦大學的封東來團隊也在另一個鐵基超導體材料(Li0.84Fe0.16)OHFeSe中發現了該零能束縛態。更進一步的量子電導實驗表明，無論是在Fe(Te,Se)還是(Li0.84Fe0.16)OHFeSe中，該零能束縛態都具有近量子化的電導平台。然而，實驗上還需要更多的證據，比如這個零能束縛態的自旋極化性質、非阿貝爾統計性質等來最終證明其是否為馬約拉納束縛態。

那麼，人類實現馬約拉納量子計算的目標還需要多遠呢？

從1926年申請第一個晶體管專利，到1947年製造出第一台可工作的晶體管，再到20世紀50年代末研發出讓計算機產業得以發展的集成電路硅版本，人類用了30年的時間。桑卡爾·達斯·薩爾馬認為，目前的馬約拉納量子計算技術可能處於首個晶體管的水平，真正實現馬約拉納量子計算或許還需要30年。

參考文獻

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

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2252-6

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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