基于Gephi知識(shí)圖譜的量子光學(xué)芯片研究狀況與熱點(diǎn)分析

葉文瑩

摘要：本文以web of science核心合集為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，借助excel、gephi軟件總結(jié)分析量子光學(xué)芯片領(lǐng)域的發(fā)文趨勢(shì)，國(guó)家分布，國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)合作及熱點(diǎn)關(guān)鍵詞演變情況。通過定量與定性相結(jié)合的綜述，以探析量子光學(xué)芯片領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步拓展該領(lǐng)域的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：量子光學(xué)芯片;Gephi;文獻(xiàn)計(jì)量分析

引言

隨著光路復(fù)雜程度的不斷提高，平臺(tái)光學(xué)在穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等方面已經(jīng)不能滿足進(jìn)一步研究的需要，發(fā)展遇到了瓶頸。而量子光學(xué)芯片有尺寸小、可擴(kuò)展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在經(jīng)典光學(xué)和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。近年來，基于光子的量子計(jì)算機(jī)獲得了快速發(fā)展。利用光的量子特性實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，將光量子計(jì)算所需的器件集成到半導(dǎo)體芯片上，從而實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)微納加工技術(shù)相兼容的低功耗、小型化的半導(dǎo)體集成量子光學(xué)芯片是實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的重要技術(shù)路徑，將為未來特定計(jì)算問題解決提供重要支撐。基于此，本文通過文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)及可視化方法，對(duì)該領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，全面掌握該領(lǐng)域研究的發(fā)展態(tài)勢(shì)與變化規(guī)律，深入分析領(lǐng)域發(fā)文趨勢(shì)、國(guó)家分布、國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)合作以及研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞演進(jìn)路徑，為研究者后續(xù)開展相關(guān)研究提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文聚焦于量子光學(xué)芯片研究領(lǐng)域，通過web of science核心合集對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行檢索和計(jì)量統(tǒng)計(jì)，并借助Excel、Gephi軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。本文圍繞quantum、optical、chip、photon等關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，共命中1483條檢索記錄，檢索時(shí)間為2021年7月23日。剔除作者、關(guān)鍵詞、發(fā)表日期及機(jī)構(gòu)不完整的記錄，篩選獲得1114篇文獻(xiàn)。

2 量子光學(xué)芯片領(lǐng)域文獻(xiàn)計(jì)量分析

2.1 發(fā)文趨勢(shì)

通過領(lǐng)域發(fā)文趨勢(shì)分析，可以了解研究的熱度變化與趨勢(shì)特征。量子光學(xué)芯片領(lǐng)域年度發(fā)文趨勢(shì)見圖1。最早的論文可以追溯到1991年，在2003年之前，該領(lǐng)域的文獻(xiàn)產(chǎn)出比較有限，發(fā)文量在10篇以下，呈現(xiàn)緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，屬于萌芽時(shí)期。2003年以后，發(fā)文量增速加快，領(lǐng)域進(jìn)入了較為快速的發(fā)展時(shí)期。

本文分析了該領(lǐng)域論文的年度篇均被引頻次，發(fā)現(xiàn)2003年的篇均被引頻次遙遙領(lǐng)先，超過了200次/篇。探究發(fā)現(xiàn)，Akahane， Y[1]等人于2003設(shè)計(jì)了基于硅材料的高Q值二維光子晶體微腔，大幅度提高了Q/V值，促進(jìn)了光子元件的集成，因此極大地推進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展。

本文還分析了我國(guó)的發(fā)文情況，相較于國(guó)外，我國(guó)該領(lǐng)域的研究起步比較晚，2010年才開始起步，不過起步后便發(fā)展較為迅速。

2.2 發(fā)文國(guó)家和機(jī)構(gòu)

識(shí)別領(lǐng)域發(fā)文國(guó)家和機(jī)構(gòu)可以為后續(xù)開展合作研究提供參考。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1114篇文獻(xiàn)共涉及46個(gè)國(guó)家900余個(gè)機(jī)構(gòu)。發(fā)文量前三的國(guó)家為美國(guó)，中國(guó)和英國(guó)，德國(guó)、日本、澳大利亞、意大利、荷蘭、法國(guó)和韓國(guó)分別是發(fā)文量第四至第十的國(guó)家。其中美國(guó)的發(fā)文量為314篇，在該領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位，中國(guó)以252篇的發(fā)文量位列第二。

本文分析了我研究機(jī)構(gòu)的合作情況。我國(guó)的252篇論文覆蓋了國(guó)內(nèi)158家機(jī)構(gòu)，可見量子光學(xué)芯片在國(guó)內(nèi)有著較為廣泛的研究基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院的發(fā)文量為72篇，排名第一。高發(fā)文學(xué)校不僅有中國(guó)科技大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和浙江大學(xué)等“雙一流”建設(shè)高校，也包括陜西大學(xué)、電子科技大學(xué)等普通院校。從機(jī)構(gòu)合作看，形成了以中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科技大學(xué)和北京大學(xué)為核心的三大合作群體，其中國(guó)以中國(guó)科學(xué)院-中國(guó)科學(xué)院大學(xué)-浙江大學(xué)合作群體最具代表性，其他群體以華中科技大學(xué)為核心的群體也開始出現(xiàn)。

3 高頻關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是研究對(duì)象、研究?jī)?nèi)容和研究方法的高度概括和凝練，對(duì)高頻關(guān)鍵詞的分析在一定程度上可以揭示領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。利用gephi軟件繪制領(lǐng)域關(guān)鍵詞的共現(xiàn)圖譜，如圖2所示。其中l(wèi)ight（光）、wave-guide（波導(dǎo)）、generation（產(chǎn)生）、emission（發(fā)射）、entanglement（糾纏）、state（量子態(tài)）、photon（光子）、cavity（空位）、circuit（回路）和laser（激光）等關(guān)鍵詞的節(jié)點(diǎn)比較大，是該領(lǐng)域出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞。關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜形成了以light、wave-guide、generation、emission和entanglement為中心的五個(gè)聚類，表明至今為止該領(lǐng)域的研究主要圍繞著光源、光波導(dǎo)、量子糾纏等幾個(gè)方面展開。

為了研究高頻關(guān)鍵詞的演進(jìn)情況，本文根據(jù)年度發(fā)文量將關(guān)鍵詞進(jìn)行了時(shí)間切片，分為了1991-2003、2004-2014和2015-2021三個(gè)時(shí)間段，聚類分布情況如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，2015-2021年之間的研究關(guān)鍵詞與2004-2014年之間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較高，表明這兩段時(shí)間的研究主題有一定的相關(guān)度， 2004年之間的研究?jī)?nèi)容與2004年之后的關(guān)聯(lián)度低，主要是因?yàn)?004年之前是該領(lǐng)域的早起發(fā)展階段，研究處于摸索時(shí)期，文獻(xiàn)成果相對(duì)來說不夠成熟。而2015年后，較多的學(xué)者涉足該領(lǐng)域，在論文高產(chǎn)的同時(shí)，研究主題也得到了進(jìn)一步的發(fā)展與成熟，表現(xiàn)為2015-2021年的關(guān)鍵詞共現(xiàn)線條相對(duì)較粗。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，2015年后出現(xiàn)了大量的新興關(guān)鍵詞，表明該領(lǐng)域仍舊處于探索的階段，是一個(gè)相對(duì)前沿的研究熱門主題。

4 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)量子光學(xué)芯片研究的系統(tǒng)綜述，采用excel、gephi軟件對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析，客觀呈現(xiàn)了發(fā)文整體態(tài)勢(shì)、發(fā)文國(guó)家分布、國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)合作以及研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞及演進(jìn)。主要結(jié)論如下：

1. 該領(lǐng)域的研究可追溯到1991年，1991-2003年為誕生時(shí)期，2003年至今進(jìn)入了快速的發(fā)展時(shí)期。相較于國(guó)外，我國(guó)該領(lǐng)域的研究起步較晚，不過于2010年起步后便發(fā)展較為迅速。

2. 歐美國(guó)家是該領(lǐng)域的主要發(fā)文地區(qū)，其中前三位發(fā)文國(guó)家為美國(guó)、中國(guó)和英國(guó)。

3. 我國(guó)在該領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)分布較廣，主要形成了以中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科技大學(xué)和北京大學(xué)為核心的三大合作群體。

4. 量子光學(xué)芯片的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜形成了以light、wave-guide、generation、emission和entanglement為中心的五個(gè)聚類。關(guān)鍵詞時(shí)間切片演變結(jié)果顯示，該領(lǐng)域仍處于新興的探索階段，是一個(gè)前沿的研究熱點(diǎn)主題。

參考文獻(xiàn)

[1] Akahane， Y.， Asano， T.， Song， B.S. and et.al. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. Nature. 2003， 425（6961）： 944-947.