2011—2020年量子通信技術領域的研究現狀及熱點分析

王婉婧 張可頤 郭欣欣

（天津師范大學,天津 300387）

量子通信是信息科學與量子力學相結合的新的交叉學科，它為量子力學的應用開辟了新的天地[1]，為21世紀信息科學的發展提供了新的原理和方法。基于量子力學的疊加、糾纏、非局域等特性，量子通信技術可突破現代信息技術的物理限制，有望以新的原理和方法成為后摩爾時代的新一代信息技術[2]。文獻計量學是一門跨學科的科學，它用數學和統計的方法對所有知識載體進行定量分析[3]。這種定量研究方法可以用來衡量某一領域的發展水平，也可以為該領域的發展提供定量依據和支持。本文對2011—2020年10年間發表的量子通信技術領域研究論文進行計量分析，從多角度分析該領域的發展現狀及研究熱點，以期為我國今后的相關研究發展提供參考。

1 數據來源及處理方法

本文收集近10年量子通信領域文獻的相關信息，對數據進行預處理，從時間、地域、合作人等多維度進行分析，借助可視化工具展示相關結果，結合當前量子通信的實際研發情況做出合理認定。

1.1 數據來源

本文選取Web of Science數據庫作為數據來源，為較全面地覆蓋量子通信技術領域的全部文獻，搜集了該領域的相關詞作為檢索主題，確定檢索式為：TS=("linear optic * " OR "electromagneti-cally induced transparency" OR "neutral atom" OR "key distribution" OR "quantum memor * " OR "quantum nonlocalty" OR "photon entangle-ment" OR "photon detect * " OR "resonance flu-orescence")。時間跨度選取2011—2020年，文獻類型限定為“Article”，共檢索出4 230篇相關論文。

1.2 處理方法

針對檢索結果，借助Excel軟件中排序、歸類匯總等功能，剔除反復的論文及通知、會議、紀要、講演等非原發性論文，最終獲得4 214篇有效論文可用于定量分析。

2 結果與分析

以下通過對發文量、主要發文國家、合作網絡、關鍵詞等指標進行分析，得出量子通信領域當前的研究現狀及研究熱點。

2.1 發文量分析

論文發表數量是衡量作者和單位對科研工作貢獻的一個重要依據，特別是發表在核心期刊中的論文數量，更具有現實意義。

2.1.1 論文的年代分析

本研究統計了2011—2020年全球量子通信技術相關研究的發文情況，如表1。由表1可以看出，近10年量子通信技術領域的年度發文量穩步增長，相對來說2017—2019年間增長速度較快，而2015年和2020年的發文量與前一年相比稍有下降，值得關注的是，2020年的發文量是2011年發文量的2倍之多。

表1 2011—2020年量子通信技術研究論文年代分布表

2.1.2 文獻增長規律分析

本文將統計得到的2011—2020年量子通信技術研究論文的累積數據導入SPSS軟件中進行曲線擬合，得到的擬合公式為y=433.527 272 727 272 8×x+（－871 721.418 181 818 2），擬合結果如圖1所示。由圖1可以看出，2011—2020年量子通信技術研究論文數以線性方式穩步增長，根據普賴斯提出的科技文獻增長四階段學說可以推測，全球量子通信技術領域的研究即將到達第三階段：學科理論日益成熟，論文數目增長放緩，衍變為線性增長，只維持固定的文獻增長量[4]。這意味著量子通信技術領域正處于一個發展且趨于成熟的時期。

圖1 2011—2020年量子通信技術領域研究論文增長曲線擬合圖

2.2 主要國家發文量比較與合作網絡

WOS數據庫的地區統計顯示，共有84個國家發表了與量子通信技術相關的論文。從各國量子通信技術領域的發文量來看，發文量最多的前15位國家（如圖2）的發文量之和占全球總發文量的79.20%，其他國家的發文量占比僅為20.80%。其中，中國是2011—2020年10年間全球量子通信技術領域論文發表量排名第一的國家，其發文量占全球發文量的29.8%，可見量子通信領域在中國具有較高的關注度，該領域中國學者有較多突破與進展，其研究成果在數量方面已遙遙領先。

圖2 量子通信技術研究發文量TOP15國家比較

由量子通信技術研究論文發表國家的可視化圖譜（如圖3）可以看出，各個國家之間的合作較為緊密且頻繁。總體來看，量子通信技術研究業已得到眾多國家的廣泛關注。然而，由于綜合國力、研究支持力度和人才等多方面的差異，不同國家和地區的量子通信技術研究水平存在差異。同時，越來越多國家正積極投入到量子通信技術的研究當中，這對于推動量子通信技術研究的發展與進步頗有裨益。

圖3 量子通信技術研究國家合作網絡

2.3 主要研究機構分析

圖4展示了量子通信技術領域發文量排名前10的研究機構。其中，中國機構數量最多，共有7家，中國科學院、中國科學技術大學（澳門大學）和北京郵電大學的發文量高居前三。除中國的機構外，還有3家機構分別來自美國、加拿大、俄羅斯。

圖4 量子通信技術研究發文量TOP10機構比較

2.4 作者分析

不同學科領域都有相應的領軍人物，由于文獻具有及時性的特點，文獻作者一般也是在該領域有一定研究能力或有一定影響的人，因此，這里通過對作者在該領域的文獻發表量進行統計分析，以找出高產和核心作者。

2.4.1 作者分布規律分析

美國統計學家洛特卡經過研究發現科學家的生產能力存在一定規律，并于1926年首先提出了反映作者生產能力的洛特卡定律[5]，即平方反比定律。本研究依據這一原理對量子通信技術領域的研究論文進行分析，并進一步擬合出該研究主題的洛特卡公式。

在洛特卡的計算過程中排除了高產作者，所以本文只統計了發文量小于等于12篇的論文數據（發文量大于12篇的作者數在所有作者中的比例不到0.3%，對結果不會造成影響）[6]。本次研究共統計出9 010位相關作者，表2中列出了發文量小于等于12篇的作者數據。

表2 發文量小于等于12篇的作者分布數據

洛特卡定律的原始表述：在某一時間內，寫了x篇論文的作者數占作者總數的比例f(x)與其所撰寫的論文數x的平方成反比[7]。公式如下：

f(x)=C/x2

經過人們的歸納與整理，洛特卡定律的廣義表達式為f(x)=C/xn，其中C、n為參數。現用最小二乘法計算n值。公式如下：

其中，X=lgX，Y=lgY，N為作者總數（N=9 010）。經過計算可得n=2.227 058 239，與洛特卡的結果基本一致，即基本契合平方反比定律。

再對C值進行計算，公式為：

其中，x取值為[1,∞]，但一般認為x超過20時誤差可忽略不計，所以這里取x最大值為20。經計算可得C=1.453 777 12。

所以，量子通信技術領域的洛特卡公式為：

洛特卡定律中常數C象征某學科領域的成熟度，C值越大，表明該領域的研究成熟度越低。量子通信技術研究領域經計算C=1.453 777 12，大于0.6，說明量子通信技術領域還處在發展階段，但前景較好，也表明雖然中國目前在量子通信技術領域的論文發表量情況較好，但還應繼續深入研究，探索量子世界的奧秘。

2.4.2 高產作者分析

根據普賴斯的研究得知，在文獻分布領域內，有75%的科學家一生只發表一篇論文[6]。根據表3的統計結果可知，量子通信技術領域發表1篇論文的作者占69.74%，與普賴斯得出的結果相比差距并不大。同時，根據普賴斯平方根定律可以分析得出：在量子通信技術領域現有的9 219位作者中，發文量前96位（即）的作者應為高產作者，占全體作者總數的1.04%，他們的發文量都在21篇以上，由此，Guo Y、Yin ZQ等高產作者產生。

表3 高產作者TOP9分布數據

2.4.3 核心作者合作網絡分析

由圖5可知，目前量子通信技術領域的論文核心作者已初成體系，存在較為穩定的合作關系，學者之間的交流較為緊密。

圖5 量子通信技術核心作者合作網絡

2.5 論文被引情況分析

通過從Web of Science數據庫下載的引文報告可以得出：4 124篇論文去除自引后的總被引次數為67 839次，施引次數為34 342次，平均被引次數為21.7次，h指數為122。其中，被引次數排名前10的論文中，中國作者發表的論文被引數排名僅第9，一定程度上說明了雖然中國在量子通信技術領域的論文發表數量非常可觀，但是在論文的影響力上仍有待提升。同時，如圖6所示，近十年量子通信技術領域研究論文被引頻次呈穩步增長趨勢。

圖6 2011—2020年量子通信技術研究論文被引頻次

2.6 期刊分析

根據布拉德福定律，將量子通信技術研究論文的期刊量及期刊發文量整理總結得表4。其中，按照布拉德福分散定律，核心期刊論文數∶相關期刊論文數∶邊緣期刊論文數=1 ∶1 ∶1，將論文總數4 124除以3，得到各區域平均論文數的理論值為1 375。由此，量子通信技術領域核心區期刊論文數量為1 379篇，相關區期刊論文數量為1 370篇，邊緣區期刊論文數量為1 375篇。并且，核心區域（區域1）期刊數為6，相關區域（區域2）期刊數為35，邊緣區域（區域3）期刊數為217，即區域1 ∶區域2 ∶區域3=6 ∶35 ∶217≈1 ∶6 ∶62，較符合布拉德福定律，所得的布拉德福系數為6。

表4 布拉德福定律期刊分析

2.7 高頻關鍵詞分析

本文運用高頻關鍵詞分析法，統計了國內近10年量子通信技術領域的關鍵詞，確定了其中的高頻詞，進而利用這些高頻關鍵詞對量子通信技術領域的研究熱點進行分析。

2.7.1 關鍵詞的確定和篩選

運用NoteExpress軟件的文件夾功能，共統計出4 634個關鍵詞。為了使選取的關鍵詞能反映量子通信技術領域的研究熱點，且數量適中，本文選取了詞頻不小于16次的關鍵詞加入詞表，并將部分同義詞進行整合。最后，共收錄了49個關鍵詞計入詞表中，如表5。

表5 2011—2020年量子通信技術研究論文高頻關鍵詞詞表

2.7.2 高頻關鍵詞的年度分布統計及分析

通過對量子通信技術領域近10年的論文關鍵詞詞頻進行統計，不難發現當前量子通信技術領域的前沿技術研究方向主要集中在量子密鑰分發與量子保密通信這兩大課題上。量子密鑰分發是指利用量子力學特性來保證通信安全性，使通信的雙方能夠產生并分享一個隨機的、安全的密鑰來加密和解密消息[8]。目前有關量子通信的研究主要集中在其通信時的保密技術上。而量子糾纏與量子隱形傳態是解釋量子密鑰分配與量子保密通信的兩大核心基礎概念[9]，因此其在總詞頻出現率中僅次于量子密鑰分配與量子保密通信。

此外，關鍵詞當中還出現了一個人名——“潘建偉”，潘建偉是目前我國在量子通信技術領域的領軍人物。2016年8月，中國科學家自主研制的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”首次實現了衛星和地面之間的量子通信，這是史上最安全且跨度最大的通信網絡，而這個項目的首席科學家正是潘建偉[10]。“潘建偉”這個名字是國內與量子通信保密性研究綁定得最為緊密的名字，因此其在量子通信技術領域的論文關鍵詞中也出現了89次之多。

2.7.3 關鍵詞共現與聚類分析

將Web of Science數據庫中量子通信技術研究論文有關數據導入VOSviewer可視化軟件中，繪制出量子通信技術領域的關鍵詞共現與聚類圖，以便更直觀地揭示此領域的研究熱點。

如圖7所示，節點的大小表示度數中心度，根據中心度的定義不難看出世界量子通信技術領域中quantum key distribution（量子秘鑰分發）、cryptography（量子密碼）、security（量子保密通信）等技術處于領域的中心，也是該領域的研究熱點。圖中各節點之間連線的粗細則代表了各研究方向之間關聯的緊密程度，反映出量子通信技術領域研究方向較集中，各研究熱點之間聯系緊密。

圖7 量子通信技術關鍵詞共現與聚類

3 結語

本文通過對近10年來國際量子通信技術領域研究論文的計量分析，具體描述了目前量子通信技術領域的核心期刊、高產作者、核心作者、研究熱點等。利用布拉德福定律和洛特卡定律，驗證了期刊和作者的分布規律。同時，利用高頻關鍵詞共現與聚類分析揭示了量子通信技術研究熱點和重點。從論文發文量、研究機構、國家地區、作者、被引情況、核心期刊以及高頻關鍵詞等方面進行了全面總結，研究結果如下：

（1）增長性。主要表現在2011—2020年10年間量子通信技術領域的發文量穩步增長，前景光明，正處于蓬勃發展時期。

（2）合作性。從VOSviewer可視化結果來看，各國家、各研究機構、各研究人員之間合作緊密，呈網絡形態，說明該研究方向得到了全球普遍的關注和重視。其中，中國、美國、德國、英國等展現出較強的國際合作能力。

（3）集中性。中國是量子通信技術研究發文量最多的國家，以29.8%的份額位列第一，居世界量子通信技術領域的第一梯隊。目前，在全球量子通信技術發展中，中國和美國表現出了較強的優勢，而其他國家仍存在一定的差距，體現出了明顯的集中特性。

（4）規律性。量子通信技術領域的研究論文在發文量、作者分布和期刊分布方面基本遵循普賴斯增長規律、洛特卡規律和布拉德福規律。其中洛特卡公式為f(x)=1.453 777 12/x2.227058239。

（5）發展性。通過對高頻關鍵詞的共現聚類分析，得出量子通信技術研究熱點主要涉及量子密鑰分發、量子保密通信、量子隱形傳態、量子糾纏、量子密碼等，研究核心呈現出越來越豐富的趨勢。