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如何看待 Science 撤稿「天使粒子」论文,因原始数据有严重违规和不符之处,无法重现论文中的结果? - 知乎

利益相关,Majorana领域可能大概已经凉了。

拓扑量子计算在2000年左右由Kitaev提出[1][2]。普通的量子比特一般都是local的态,容易受到电荷、磁场等噪声的影响,相干时间很难提高。拓扑比特本身在理论上说,是一个非常妙的想法。

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由于majorana是自己的反粒子,通常成对出现,且是一个unlocal的态。比如在纳米线体系里,会在纳米线的两端出现。这就意味这local的噪声不会造成整个比特的退相干。拓扑比特的门也可以通过时空上的编织来实现。

这样天才的idea,从一开始就成为了研究热点。而最受关注的两个实验平台,分别是超导/半导体纳米线,和超导/反常量子霍尔效应。一个是1D体系,一个是2D体系。虽然从理论上已经证明,Majorana不能实现全量子门,也就是说只有一部分量子门操作可以被拓扑保护。但是这样的拓扑比特体系,只要能第一个实验验证,一定能在科学上青史留名。只要实验上证明了拓扑保护的比特,kiteav第二年就拿诺奖都有可能。这么大的名誉,所有实验家都想捷足先登。

那么两个平台的实验都是什么情况呢?

纳米线体系中,最早结果是leo p. kouwenhoven在2012年报道的。他们在超导/半导体纳米线中,施加磁场后在超导能隙中发现了零能的峰。他们声称这就是majorana的存在信号。当然,同时Lund的Hongqing Xu组也发现了同样的结果,最后在一番不为人知的操作下xu组的文章只投到了Nano letter[3].

但是,后来人们意识到,零能峰不是majorna特有的性质。拓扑平庸的Andreev bound state在磁场下也会出现零能峰。接下来的几年,无数的组水了不知道多少篇nature science,设计新的实验想证明自己的体系是拓扑的majorana,想排除拓扑庸的Andreev bound state。但是至今没有一个实验能完全排除拓扑平庸的解释。2018年,Delft的工作[4]出来了。实验发现,零能峰的电导可以到2e^2/h, 也就是量子电导。量子输运中,单个量子态在弹道输运的情况下,电导就会出现量子化。这个工作也被微软拿来大肆宣传,当时的新闻稿说3年内就能做出拓扑比特了。

但是2020年初,leo组的博后,2012年第一篇文章的共同作者Sergey Frolov对量子电导的工作产生了质疑。他在匹兹堡的组拿到了同样的材料,花了大把时间做样品测量,但是一直得不到同样的结果。sergey于是向Delft要求提供原始数据,并和同样是第一篇第一作者的‪Vincent Mourik一起分析。结果发现,在关键的量子化电导处,作者主动删去了一部分数据,这部分电导明显大于2e^2/h。并且这个量子电导,只能在特定的一些隧穿门电压下看到。而作者对删去数据的解释是,有很多电荷噪声导致的charge jump,为了绘图美观删去。

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这样的解释显然不能让人满意,sergey也对nature编辑提出了质疑。同时delft和微软也组织了一波调查,在欢声笑语中文章最后被撤稿。另外,sergey对作者的很多其他文章也进行了原始数据调查,这就包括第二篇被撤稿的文章[5]。这篇文章其实并没有谈majorana,而是一篇“材料文章”,通过特殊的生长技术实现了纳米线网络。而这篇撤稿的原因也一样,原始数据被删改过,为了符合最后得出的结论。(这里长材料的组真实躺枪,本来长出这种材料就已经够分量一篇nature。而测量组各种诡异操作一番导致文章被撤。)

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然后是超导/量子反常霍尔效应平台。在这种平台里,量子霍尔效应的电导应该是e^2/h的整数倍。而如果出现majorana的话,电导可能会产生1/2 * e^2/h的平台。2017年,UCLA的Kanglong wang组发表science,宣称实现了手性Majorana。在磁场扫描中(图c),发现电导出现了半整数的平台。

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文章出来后也是很大轰动,SC Zhang也被认为诺奖稳了。然后,同样的故事发生了,很多个组尝试重复这篇实验的结果,用费了不知道多少个PhD发现根本重复不出来图中一样的曲线。2020年Cuizu Chang在science发文[6],声明无法重复出同样的结果。文章同时提出,半整数平台可以出现,但是只是平庸的”短路“导致电导为半整数。至今没人知道UCLA文章中的半整数平台的数据是真实测量的,还是后期加上去的。

如何评价?学术造假、数据造假是学术界的头号大敌。一个组声称自己做出了某项轰动的结果,必然会有很多组会尝试去重复。而重复这样的结果,意味着要话几个月甚至几年,无数个phd posdoc在lab里加班加点制样品测量。而这些所有的”重复工作“,如果一开始的目标是错的话,必然结果是无功而返。而这些无用功,浪费了无数的经费、浪费了无数科研人员的时间。这些人力物力,完全可以用来研究更有价值的方向。

平心而论,我现在依然觉得拓扑保护比特是一个绝佳的idea。如果能在实验中实现,将是巨大的价值。但是抱歉,这个领域已经慢性死亡了。目前愿意再碰这个领域的越来越少,而之前做这个方向的组,现在很多也开始转行做其他”不拓扑“的体系了。微软几个月前发表了新结果,宣传自己在纳米线体系又推进了一步,但是一看结果。所谓宣称的robust拓扑保护,到头来只是参数相图里非常零星的几个区域,有拓扑可能存在的”间接证据“。

2020年,物理学家John Preskill和Jonathan Dowling打赌,十年后会做出第一个拓扑保护比特。Preskill赌会有,Dowling赌不会,赌的是一杯啤酒和一个pizza。Dowling教授也很可惜的在同一年就去世了。可惜Dowling没机会享用这顿大餐了。

参考

  1. ^Kitaev, A. Y. (2001). Unpaired Majorana fermions in quantum wires. Physics-uspekhi, 44(10S), 131.
  2. ^Kitaev, A. Y. (2003). Fault-tolerant quantum computation by anyons. Annals of Physics, 303(1), 2-30.
  3. ^Deng, M. T., Yu, C. L., Huang, G. Y., Larsson, M., Caroff, P., & Xu, H. Q. (2012). Anomalous zero-bias conductance peak in a Nb–InSb nanowire–Nb hybrid device. Nano letters, 12(12), 6414-6419.
  4. ^Zhang, H., Liu, C. X., Gazibegovic, S., Xu, D., Logan, J. A., Wang, G., ... & Kouwenhoven, L. P. (2018). Retracted article: Quantized majorana conductance. Nature, 556(7699), 74-79.
  5. ^Gazibegovic, Sasa, et al. "RETRACTED ARTICLE: Epitaxy of advanced nanowire quantum devices." Nature 548.7668 (2017): 434-438.
  6. ^Kayyalha, M., Xiao, D., Zhang, R., Shin, J., Jiang, J., Wang, F., ... & Chang, C. Z. (2020). Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices. Science, 367(6473), 64-67.

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