“師兄”很快發現,真實的實驗結果,不但不能支持結論,而且完全相悖!於是他們毫不猶豫地選擇向Nature捅出真相。
論文被舉報始末
2018年3月28日,受雇於微軟的荷蘭代爾夫特理工大學教授Leo Kouwenhoven,領導他的研究團隊在Nature上發表瞭名為Quantized Majorana conductance(量化的馬約拉納電導)的論文。
論文聲稱,在納米線發現瞭被稱為“天使粒子”的馬約拉納費米子(Majorana Fermion)存在的有力證據。
而如果這種粒子存在,那麼就可以通過操控這種有諸多優點的粒子,實現一種全新的量子計算機。
可以說,這篇論文的結論直接關乎微軟量子計算路線的未來。微軟量子計算部門的官網至今還寫著對這項技術的憧憬。
但是,2019年11月24日,論文其中一位作者將整個研究的完整數據,打包發給瞭團隊之外的兩個人:匹茲堡大學的物理學教授謝爾蓋·弗羅洛夫(Sergey Frolov)和澳大利亞新南威爾士大學的文森特·穆裡克(Vincent Mourik)。
經過比對,他們發現,關鍵實驗數據與論文中完全對不上,本文的結論,根本不能成立。
於是他們開始懷疑論文公佈的數據是經過修改剪切的(cut)。
2020年4月29日,Nature對這篇論文表達瞭“編輯關註”。
“編輯關註”說明中指出,論文作者提醒編輯,數據處理方式有潛在問題,可能對結論有影響,提醒讀者不要使用論文相關結果。
之後,論文啟動撤回程序。
2021年1月,論文作者團隊又發表瞭名為Large zero-bias peaks in InSb-Al hybrid semiconductor-superconductor nanowire devices的文章。
這是結合瞭實驗完整數據的論文,並討論瞭真實結果的意義。但並未解釋為何之前修改數據。
2021年2月,弗羅洛夫等人在推特貼出瞭論文數據存在人為剪輯的證據:
對比圖中,上方是實驗原始數據,下方是論文中的數據。
在論文圖2量子化馬約拉納電導峰中,原數據右側量子化零偏峰值和峰分裂部分直接被刪掉瞭。
而這一部分數據恰與論文結論相悖。
同時,論文中還“選擇性”剪掉瞭不支持核心結論的電荷跳躍,隻保留瞭7個看上去能形成明顯零偏峰的電荷跳躍。
對於質疑,作者曾回復弗羅洛夫等人說,剪切實驗數據圖片,是為瞭美觀(for aesthetics)。
後來,在2021年3月8日發佈的撤稿聲明中,團隊承認瞭之前對原論文中的電荷跳躍相關數據進行瞭“不必要的修正”。
△原文中被修正過的電荷跳躍相關數據
而重復實驗後得到的真實結果表明,重新繪制的實驗數據,包括之前沒有減掉的,各點都在2-sigma(95%)誤差外。
所以不能宣稱觀察到量化的馬約拉納電導。
撤稿聲明的最後,團隊為科學嚴謹性不足表達瞭歉意。
2018年的文章研究瞭什麼?
早在2005年微軟就開始研究量子計算技術,當時還悄悄成立瞭“Station Q”實驗室。
但之後,卻眼看著IBM、Google和Intel等競爭對手紛紛建造瞭具有多個量子比特的量子計算機,說微軟不急,不太可能。
一般來說,量子計算的量子比特信息是存儲在局域,局域的噪音會對信息產生影響,使量子疊加態迅速坍縮。
在拓撲量子計算中,人們定義瞭一種特殊的粒子,幾個粒子在時間空間上進行交換,它們的軌跡就相當於在繩子上打不同的結,從而代表著不同的信息。
信息的存儲隻依賴於交換順序而不依賴於交換的具體路徑,所以拓撲量子計算對局部的微擾是免疫的,從根本上解決退相幹難題。
馬約拉納費米子就是這樣一種粒子,它的反粒子就是它本身(馬約拉納對稱性),這種性質能夠保證量子化不受隧道耦合中無序、相互作用和變化的影響。
微軟相中瞭這麼一條“一步到位”的量子計算機路線。
但是,要產生並觀測馬約拉納費米子是非常困難的。微軟決定押註荷蘭代爾夫特理工大學的物理學傢Leo Kouwenhoven,之前他在這個方向上的研究十分有名。
2016年,公司聘請瞭Kouwenhoven,責成他在代爾夫特校園內創建微軟實驗室。
2018年,論文發表時,團隊聲稱,發現瞭被稱為“天使粒子”的馬約拉納費米子(Majorana Fermion)存在的證據。
具體到實驗中,電傳輸的隧道譜,例如差分電導中的零偏峰(ZBP),就是識別馬約拉納費米子的主要工具。
通過測量,論文最終中給出的實驗結果完美支持瞭理論預期,並且在改變磁場、隧道耦合等參數的情況下,ZBP仍然保持恒定。
由此,團隊認為他們成功證明瞭馬約拉納費粒子的存在。
△原文中量化的馬約拉納電導平臺
這項研究成果發佈後,引起瞭眾多物理學傢的關註,被視為量子計算機的關鍵突破,為今後實現拓撲量子計算奠定瞭基礎。
谷歌學術顯示,3年來,這篇論文已經被引用400多次。
微軟,實現“迎頭趕上IBM、谷歌等老對手,五年內擁有一臺商用量子計算機”的計劃,似乎更有把握瞭 。
但發表不久,團隊改動實驗數據的行為就被揭發瞭。
內部“吹哨人”舉報,同門前輩“發難”
還記得前面說過,“有人”透露瞭實驗原始數據嗎?
據最早拿到證據的謝爾蓋·弗羅洛夫和文森特·穆裡克兩人說,文件是由論文的一個作者發給他們的,但“吹哨人”具體是誰,沒有透露。
而弗羅洛夫和穆裡克兩人,其實與代爾夫特理工大學、研究團隊所在實驗室,以及團隊領導淵源已久。
謝爾蓋·弗羅洛夫在2008~2012年間,就在代爾夫特理工大學的Kouwenhoven組做博士後。
另一位文森特·穆裡克,2010~2015年間也在代爾夫特理工讀博士,研究方向正是馬約拉納-費米子。
所以這一次的撤稿事件,是團隊內部“吹哨人”,向同實驗室的前輩透露真實數據情況,再由這兩位前輩向師門“發難”。
研究被質疑後,代爾夫特理工大學委托瞭四位外部專傢,開始對這一事件調查。
就在周一,官方公佈瞭調查結果。
結論是,研究人員不是有意誤導,隻是“過於沉浸在興奮中”(caught up in the excitement of the moment),因而選擇瞭符合自己期望的數據。
但是原論文的問題到底是如何發生的,報告中沒有給出完整明確的解釋。
另一邊,微軟負責量子計算的副總裁在一份聲明中稱,撤稿是研究中的一個挫折,公司對開發量子計算機的方法仍然充滿信心。而論文作者就問題主動提醒Nature編輯的做法非常好,值得學術界學習。
論文的共同一作,分別是來自中國的學者張浩、Liu Chun Xiao,以及荷蘭學者Sa?a Gazibegovi?。
荷蘭學者Sa?a Gazibegovi?,量子物理硬件工程師,埃因霍芬理工大學博士,現在已經進入光刻機巨頭ASML工作。
Liu Chun Xiao,本科畢業於復旦大學物理系,在馬裡蘭大學獲得博士學位。目前仍然在代爾夫特理工大學做博士後。
張浩,本科畢業於北京大學物理系,在杜克大學取得博士學位。目前在清華大學物理系做副教授。
被撤稿的論文,是他在代爾夫特理工大學做博士後時的研究。
張浩除瞭是本文一作,還是共同通訊作者。
Nature在3月10日發表的官方文章中提到,他們曾經詢問過張浩和Kouwenhoven教授,如何評價其他科學傢列出的質疑證據,但沒有得到回復。
目前,無論是學校、Nature、還是微軟方面,沒使用諸如“造假”、“學術不端”等措辭。
但在正式撤稿聲明發佈後,謝爾蓋·弗羅洛夫表達瞭自己的聲音:
這是科學! 要認真研究,不清楚的,要問什麼。如果從這次事件中不吸取教訓,我們就沒有未來。