量子计算的复制危机:马约拉纳费米子
探测新量子粒子Majorana费米子的竞赛蒙上了一层阴影。这种量子粒子可以为量子计算机提供动力。作为一个在这个领域工作的人，我开始担心在一系列的错误开始之后，majorana的领域很大一部分是在欺骗自己。几个声称探测到majorana粒子的关键实验最初被认为是突破，但尚未得到证实。最近一个案例高调退出Nature(见Nature 591，354-355；这是由我的同事文森特·穆里克发起的，他是澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家。我们从最初的实验中获得了额外的数据，而这些数据并没有包括在论文中，之后我们提出了担忧。
这件事非常重要。意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年预言Majorana粒子理论上是它们自己的反粒子。计算机巨头微软希望通过使用majorana粒子来建造一台可靠的量子计算机:这些粒子可以制造极其稳定的量子位。他们周围的科学兴奋点不亚于引力波和希格斯玻色子。
在实验中，研究人员对majorana岛是否被探测到存在分歧，更不用说它是否是量子计算的资产了。随着对这种说法的怀疑逐渐蔓延到鉴赏家之外，该领域正面临声誉受损的风险，尽管其前景尚未得到开发。
在实验室里生产Marjona鱼是非常困难的。该实验结合了纳米技术、超导、设备工程和材料科学等前沿领域。在最先进的方法中，研究人员必须首先培育一种纳米线晶体——这本身就是一项壮举——以产生直径为100纳米(人类头发宽度的千分之一)的原子柱。然后，他们必须将电线连接到一个足够灵敏的电路，以测量通过它的单个电子。整个实验必须在绝对零度以上1%左右的温度，磁场是地球磁场10000倍的环境下进行。
在这些极端情况下，当导线中的所有电子都被磁化时，majorana粒子就会从导线两端出现。理论上是。
超过100个组织尝试了它。据报道，有24人在马略拉纳岛示威。它们通常以特征电子信号的形式出现:随着纳米线上电压的变化，电流会有一个窄峰。我是最早观察到这种现象的团队成员之一，那是在2012。不久，更多的报纸出现了。电流量子化值的探测首先在理论上被预言，随后发表在2017期《科学2》和2018期《自然3》上的实验报告，被很多人解读为马约拉纳岛存在的最终证据。
2020年，经过反复实验，这些观察结果被仔细审查。《科学》杂志发表了一项由宾夕法尼亚州立大学大学帕克分校的研究人员领导的实验，该实验与2017的报告相矛盾。我的团队复制了2018《自然研究》中的模式，但证明了它们不一定来自马略拉纳岛。我们交叉检查了同一根纳米线的两端，但发现只有一端有电流峰值。这违背了马约拉纳人总是成对出现的理论的基本预期。反驳的速度正在加快:研究人员尚未能证实两篇声称在纳米线中发现majorana机制的独立论文的发现。关于新型铁基超导体Fe(Te，Se)的电流峰的报告被Majoranas10-12引用在《科学与自然通讯》杂志上，还需要在今年的《物理评论快报》发表后才能更详细。
教训:majorana粒子不是产生电流峰值信号的必要条件。至少从2014开始，我们已经知道了一些更常见的解释，比如Majoranas14之外的其他量子态，纳米线缺陷导致的意外信号，或者许多电子令人着迷但之前探索过的合作行为(见“混合信号”)。然而，积极的文件不断出现，甚至没有提及其他解释，给人的印象是，在马约拉纳，乐观主义者和悲观主义者之间正在进行激烈的辩论。
作为一个发表和评论过majorana正面和负面观点的人，我感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，尽管这项强大的技术已经被用于许多重要的发现，包括获得诺贝尔奖的超导、量子霍尔效应和隧道效应的观察。
开始影响我了。未来的研究生会问我要不要停止在马约拉纳的学习。赠款审查人员认为，方法论而不是选择性数据报告导致了这一领域的混乱。
在我看来，俗称“量子传输”的基本方法没有错。我认为选择性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，不管马约拉纳岛与否。
但我认为研究人员很挑剔——专注于与majorana理论一致的数据，而将不一致的数据放在一边。一个很好的例子是Science在2020年发表的一篇关于Fe(Te，Se)的论文中报道了电流的量子化行为。在评估的60个涡流中，作者在单个涡流中看到了这种行为。我觉得有些可能不够严谨的期刊和审稿人可以支持数据选择研究者。(当被问及2020年的论文时,《科学》杂志的发言人表示，结果和结论，包括对观察到的定量替代机制的解释，都得到了谨慎的介绍。我和其他审稿人一再主张，期刊不应该基于选择性数据显示发表论文，而只能看到它们出现在其他(有时是相同的)期刊上。有时候，如果一张图表能说明全部情况，就没有必要呈现所有的数据。但是对于majorana粒子，仅仅通过数据搜索来确定正确高度的峰值是不够的，特别是在代换理论的情况下。
选择偏差很容易支配假设驱动的实验研究。“最佳”数据通常被认为是那些符合理论的数据。因此，偏差很容易被排除为实验或人为错误，从而被排除。
另一个问题是审查majorana索赔要求的同行审查范围太广。在任何多学科领域，复习都是困难的。裁判往往是一个学科的专家，其他学科很难评判，这就留下了空白。例如，理论物理学家可能对评估计算感到满意，但对实验过程不满意，而知道如何生长纳米线的材料科学家可能会跳过理论部分。但是为了正确评价这项研究，我们需要对整个研究有一个整体的看法。
这是一个熟悉的故事。《自然》调查了化学、生物、物理、工程和医学科学中的“重现危机”(见《自然》533，452-454；(2016)，选择性报成绩是罪魁祸首。几十年来，我们都看到了这一点。物理学家罗伯特·密立根在一个多世纪前的油滴实验中漏掉了一些著名的数据点。他确实接近电子电荷的实际值——但科学不能依赖这种侥幸。因为数据选择的方式，马霍拉那岛的一些论文被证明是不可靠的。
整个凝聚态物理领域的行为准则需要更新。解决办法只有一个，那就是全面强化问责制。以下步骤将有助于马略拉纳岛的研究和其他领域。
开放数据。科学家应该公开存储库中的所有数据，并遵守* * *访问标准，如公平性(可搜索性、可访问性、互操作性和可重用性)15。有些管理是必然的。现代物理实验室收集的数据量非常大:计算机脚本控制设备，可能一天24小时运行。一种补救方法是清楚地解释用于执行任何数据选择的协议——以便其他人可以重用或审查它。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、地球科学和其他学科中所做的那样。* * *访问数据可以提高可靠性、促进协作和加快进度。比如高能物理社区，可以教别人如何分享研究协议，让每一篇论文都可以重复或复制。
虽然这并不广为人知，但许多出版政策和政府研究行为准则都要求进一步的数据。值得注意的是，与其他投入巨资进行研究的国家相比，美国没有国家规定。需要进一步努力使这种享受自动化，而不是“按需”。正如《自然》杂志最近撤回的关于马略拉纳岛的论文所显示的，看到完整的数据对于评估一项实验是非常重要的。
批评者会反驳说，仅仅分享数据并不能捕捉实验室里发生的一切，经验和洞察力——工艺——具有协议无法描述的价值。我相信可靠和有用的科学是基于可靠的过程，只要有必要，这些过程可以被反复检查、验证和重新检查。
打开的过程。评论者需要对不寻常的声明提出更多的问题。结果好到不真实吗？你提供了足够的数据吗？你考虑过其他解释吗？应该进行交叉核对，这使得证明一个不可靠的说法更加困难。对于majorana物理来说，就像比较电流峰值的磁场和电场的依赖性与理论预期一样基本。如果我们坚持这样做，它将挫败许多错误的主张。
但即使是最严格的审查也可能被忽略。如果论文被拒绝，作者可以忽略所有的输入，将他们的手稿发送到另一个期刊。我在马约拉纳岛看到过一些论文，因为科学原因被反复批评和拒绝，但是发表在另一个高知名度期刊上的论文只有微小的改动。公开臭名昭著的不透明出版程序是减少不良研究传播的关键。
编辑应该承担责任:他们是做决定的人，即使他们缺乏关于论文主题的深入专业知识。每份租用的报纸都应附有编辑的名字。对于每次撤回，编辑应该提供他们对所发生的事情的看法。所有的期刊，尤其是高影响力的期刊，都需要接受社区的监督。编辑撤稿应该被广泛使用，因为等待作者本人撤稿可能需要很长时间。目前，大多数期刊甚至不能对论文中的错误进行自己的调查。他们应该在研究界的帮助下建立这种能力。
马略拉纳岛的研究怎么样？它仍然是可行的和重要的。但是，在我看来，关键的发现并没有被发现。现在我们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，以及整理其他解释。需要可靠的证据证明粒子确实是自己的反粒子，在我们的眼睛里有完整的数据。
只有这样，我们才能准备开发majorana量子计算机。
自然592，350-352 (2021)
doi:https://doi.org/10.1038/d41586-021-00954-8