微软Nature撤稿,三年前拓扑量子计算被推翻,天使粒子不存在,百万投资打水漂

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编者按:本文来自微信公众号“大数据文摘”(ID:BigDataDigest),作者:Mickey,36氪经授权发布。

2018年,微软量子团队在nature发表重磅研究,称“观察到马约拉纳费米子(Majorana)存在的相当有力的证据,电子在他们的导线中分裂成半体。”

这一进展曾在行业内激起重大波澜。

与传统量子研究路径不同,微软是通过一种被成为了“马约拉纳费米子”的物体来构建量子计算机,这一路径的支持者声称,这种材料具有微电子模式,与谷歌、IBM等竞争对手的设计相比,具备根本优势。

当时,微软量子计算业务开发负责人 Julie Love 曾表示,微软将「在五年内」构建商业化量子计算机。

不过,这一根本优势仅仅持续了三年。

就在本月,这一报以厚望的「马约拉纳费米子」研究宣告流产。本月早些时候,微软研究人员以「技术错误」为由,将2018年的这篇论文正式撤稿,作者在撤稿中写道:“我们对原始手稿的科学严谨性向社区表示歉意。” 他们呈现为马约拉纳粒子签名的信号遭受测量误差,结果无效。

这也意味着,微软投资了成百上千万美元的这一量子研究遭遇滑铁卢,只得重整旗鼓再出发了。

微软Nature撤稿,三年前拓扑量子计算被推翻,天使粒子不存在,百万投资打水漂

被寄予厚望的“马约拉纳费米子(Majorana)”

在粒子世界里,住着两大家族:费米子家族(如电子、质子)和玻色子家族(如光子、介子),它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为,每一种粒子都有它的反粒子,费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样,但脾气完全相反的双胞胎兄弟,两兄弟一见面就“大打出手”,产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。

然而在1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样,脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子,可以说,它们的反粒子就是自己本身,这种费米子被称为“马约拉纳费米子”,研究认为,其在量子计算中可用来形成稳定的比特。

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这一研究对于量子计算机的发展至关重要。

作为未来最重要的技术趋势之一,量子计算一直是技术圈“兵家必争之地”。从谷歌、IBM到苹果,都投入了大量的人力、物力、资金进行研究。

谷歌、 IBM 和英特尔目前都已经取得了一定的进展,曾展示了大约50个量子比特的量子处理器原型。

但是大型运行工作可能需要成千上万的量子比特,这是由于,量子计算机的大部分时间都被用于修正由于量子的不稳定性导致的自身故障。

就在2004年,微软公司的研究人员找到了技术战略负责人Craig Mundie,说他们有办法解决阻碍量子计算机发展的最大问题,即量子比特的不稳定性。也就是通过马约拉纳费米子。

自那之后,微软全力投入了这一研究中,2018年,微软的研究人员称,观察到被称为“天使粒子”的马约拉纳费米子存在的相当有力的证据,电子在他们的导线中分裂成半体,这一发现让微软在量子计算的研究领域后起直追,一度成为了建造出商用量子计算机的最有潜力选手。

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拓扑量子位的示意图

这一研究在《自然》杂志发布后,奠定了微软在量子计算领域的地位。本质上说,微软绕过了之前谷歌开发的量子计算方向,开发了一个由原子组成的系统,这个系统看上去在两端都有一个电子的一半。当你移动其中一个电子半体时,他们的特殊设置不会因为量子噪音而坏掉。把这两个电子半体放在一起,你就会得到两个量子比特状态之一:是,或者什么都不是。

有偏颇的数据

直到2019年11月,当时匹兹堡大学的物理学家Sergey Frolov发现了这一研究的问题:他无法复现该论文的实验结果。

Frolov当时与南威尔士大学的vincent Mourik合作,要求Kouwenhoven的团队共享他们的数据,过程中发现原始论文包含了错误的数据。

“很明显,他们基于这一数据做出的结果也不可信,”Frolov说。Frolov和Mourik因此致信论文作者和《自然》杂志,也正是从这时起,这一研究被质疑,并最终在2021年3月8日被正式撤回。

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《自然》杂志发言人在一份声明中说:“我们希望能够在适当的时候更新科学记录,以使我们的读者更加清楚,并在我们拥有足够的信息以决定最佳行动方案时尽快这样做。但是,这些问题通常很复杂,因此,编辑者和作者可能需要花费一些时间才能完全弄清它们。”

荷兰代尔夫特大学是物理学家兼微软员工Leo Kouwenhoven的所在地,也是微软2018年这篇论文的实验所在地。

在撤销当天发布的一份报告中,调查小组发现Kouwenhoven的研究小组以偏颇的方式选择数据,以使他们的测量更具说服力。(Kouwenhoven没有回复置评请求。)

调查发现该团队无意误导。麻省理工学院的物理学家Patrick Lee称:“我觉得是因为研究有点草率。” “我找不到更好的描述方式。”

Lee表示,撤回对于研究人员是一个“警钟”,对于研究社区来说,这一撤稿也警示了研究者在发布实验结果时要更加谨慎。

“技术没错,并没有给拓扑量子计算宣告死刑”

但是,Lee也认为,本文的终结并没有注定拓扑量子计算的失败。

他说:“如果阅读大众媒体会发现,这种撤稿会将微软推到风口浪尖、被口诛笔伐,很多人会称,这项投资是失败的。” 

“但我认为那是不正确的。”

尽管有知名的消费类科技公司参与,但量子计算仍在很大程度上是一个研究领域。一些公司尽管生产了小型原型设备,但这些量子计算机无法解决有用的问题。他们的主要限制之一是他们很难执行最完美的算法,并且专家也不知道如何纠正这些错误。

Frolov称,他担心负面宣传给整个研究领域泼上冷水。他说:“这种‘撤稿’会给整个领域带来负面影响,最直接的可能就是研究资金的回撤。” 他说,他的一项资助提案就于今年1月被拒绝,因为一位审阅者说,他所使用的实验技术(与马约拉那论文的作者所采用的实验技术相同)已被抹黑。

“这项技术没有错,” Frolov称。

撤稿主要是研究者的问题,而不是研究基本策略的问题。而从整个科学进程上看,这一撤稿实际上还激发了新的进展。今年1月,Frolov在《自然物理学》上发表了一篇论文,详细介绍了他的团队如何通过不同的电子现象重现高原。

而撤回论文的合著者之一,马里兰大学物理学家Sankar Das Sarma最近发布了新的理论研究成果,表明该实验需要杂质少得多的材料来制造马约拉纳树。

“这是我一生中看到的科学过程的最好例证,”Das Sarma说。

但是有研究者认为,这种撤稿也表明科学过程是“脆弱的”。很少有人会发现团队中的错误。他说:“我们科学系统中的一个危险点是,很难评估他人的实验结果。”

Frolov和Mourik可以评估撤回的实验是一个特例,这是因为他们曾经与Kouwenhoven合作。但是,即使拥有他们的专业知识,该过程也是耗时且压力很大的。“我们正在努力使科学过程发挥作用,这非常困难,”弗罗洛夫说。

在选择揭露团队的错误时,Frolov和Mourik还要在承担巨大的科学声誉压力。令事情更加复杂的是,Frolov说,自己举报的撤稿作者在自己的早期职业生涯中还为自己提供了重要帮助。“他在我的生活中发挥了巨大作用,”Frolov说。“他让我加入他的团队,从而促进了我的职业生涯。”

现在,他与前任导师的关系陷入了困境。“在2019年11月,我们举行了一次会议。我们笑了; 我们喝啤酒;一切都很好,” Frolov说。“现在我无法想象这种情况会再次发生。”

Lee表示:“ [Frolov和Mourik]勇于勇气并付出了很多努力,并推动了这一进程。”

再说回到微软,虽然承受了巨大的损失,但这家公司依然表示要坚持这条研究道路。

在LinkedIn上的声明中,微软Quantum副总裁Zulfi Alam写道:“我们对缩放量子计算的拓扑方法仍然充满信心。”

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参考资料:

https://gizmodo.com/how-microsofts-quantum-boast-went-bust-1846547306

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03373-x

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