王婉婧 張可頤 郭欣欣

（天津師范大學(xué),天津 300387）

量子通信是信息科學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合的新的交叉學(xué)科，它為量子力學(xué)的應(yīng)用開(kāi)辟了新的天地[1]，為21世紀(jì)信息科學(xué)的發(fā)展提供了新的原理和方法。基于量子力學(xué)的疊加、糾纏、非局域等特性，量子通信技術(shù)可突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理限制，有望以新的原理和方法成為后摩爾時(shí)代的新一代信息技術(shù)[2]。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是一門(mén)跨學(xué)科的科學(xué)，它用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)所有知識(shí)載體進(jìn)行定量分析[3]。這種定量研究方法可以用來(lái)衡量某一領(lǐng)域的發(fā)展水平，也可以為該領(lǐng)域的發(fā)展提供定量依據(jù)和支持。本文對(duì)2011—2020年10年間發(fā)表的量子通信技術(shù)領(lǐng)域研究論文進(jìn)行計(jì)量分析，從多角度分析該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及研究熱點(diǎn)，以期為我國(guó)今后的相關(guān)研究發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

本文收集近10年量子通信領(lǐng)域文獻(xiàn)的相關(guān)信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從時(shí)間、地域、合作人等多維度進(jìn)行分析，借助可視化工具展示相關(guān)結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前量子通信的實(shí)際研發(fā)情況做出合理認(rèn)定。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，為較全面地覆蓋量子通信技術(shù)領(lǐng)域的全部文獻(xiàn)，搜集了該領(lǐng)域的相關(guān)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(shí)間跨度選取2011—2020年，文獻(xiàn)類(lèi)型限定為“Article”，共檢索出4 230篇相關(guān)論文。

1.2 處理方法

針對(duì)檢索結(jié)果，借助Excel軟件中排序、歸類(lèi)匯總等功能，剔除反復(fù)的論文及通知、會(huì)議、紀(jì)要、講演等非原發(fā)性論文，最終獲得4 214篇有效論文可用于定量分析。

2 結(jié)果與分析

以下通過(guò)對(duì)發(fā)文量、主要發(fā)文國(guó)家、合作網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵詞等指標(biāo)進(jìn)行分析，得出量子通信領(lǐng)域當(dāng)前的研究現(xiàn)狀及研究熱點(diǎn)。

2.1 發(fā)文量分析

論文發(fā)表數(shù)量是衡量作者和單位對(duì)科研工作貢獻(xiàn)的一個(gè)重要依據(jù)，特別是發(fā)表在核心期刊中的論文數(shù)量，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.1.1 論文的年代分析

本研究統(tǒng)計(jì)了2011—2020年全球量子通信技術(shù)相關(guān)研究的發(fā)文情況，如表1。由表1可以看出，近10年量子通信技術(shù)領(lǐng)域的年度發(fā)文量穩(wěn)步增長(zhǎng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)2017—2019年間增長(zhǎng)速度較快，而2015年和2020年的發(fā)文量與前一年相比稍有下降，值得關(guān)注的是，2020年的發(fā)文量是2011年發(fā)文量的2倍之多。

表1 2011—2020年量子通信技術(shù)研究論文年代分布表

2.1.2 文獻(xiàn)增長(zhǎng)規(guī)律分析

本文將統(tǒng)計(jì)得到的2011—2020年量子通信技術(shù)研究論文的累積數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中進(jìn)行曲線(xiàn)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(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，2011—2020年量子通信技術(shù)研究論文數(shù)以線(xiàn)性方式穩(wěn)步增長(zhǎng)，根據(jù)普賴(lài)斯提出的科技文獻(xiàn)增長(zhǎng)四階段學(xué)說(shuō)可以推測(cè)，全球量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究即將到達(dá)第三階段：學(xué)科理論日益成熟，論文數(shù)目增長(zhǎng)放緩，衍變?yōu)榫€(xiàn)性增長(zhǎng)，只維持固定的文獻(xiàn)增長(zhǎng)量[4]。這意味著量子通信技術(shù)領(lǐng)域正處于一個(gè)發(fā)展且趨于成熟的時(shí)期。

圖1 2011—2020年量子通信技術(shù)領(lǐng)域研究論文增長(zhǎng)曲線(xiàn)擬合圖

2.2 主要國(guó)家發(fā)文量比較與合作網(wǎng)絡(luò)

WOS數(shù)據(jù)庫(kù)的地區(qū)統(tǒng)計(jì)顯示，共有84個(gè)國(guó)家發(fā)表了與量子通信技術(shù)相關(guān)的論文。從各國(guó)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)文量來(lái)看，發(fā)文量最多的前15位國(guó)家（如圖2）的發(fā)文量之和占全球總發(fā)文量的79.20%，其他國(guó)家的發(fā)文量占比僅為20.80%。其中，中國(guó)是2011—2020年10年間全球量子通信技術(shù)領(lǐng)域論文發(fā)表量排名第一的國(guó)家，其發(fā)文量占全球發(fā)文量的29.8%，可見(jiàn)量子通信領(lǐng)域在中國(guó)具有較高的關(guān)注度，該領(lǐng)域中國(guó)學(xué)者有較多突破與進(jìn)展，其研究成果在數(shù)量方面已遙遙領(lǐng)先。

圖2 量子通信技術(shù)研究發(fā)文量TOP15國(guó)家比較

由量子通信技術(shù)研究論文發(fā)表國(guó)家的可視化圖譜（如圖3）可以看出，各個(gè)國(guó)家之間的合作較為緊密且頻繁。總體來(lái)看，量子通信技術(shù)研究業(yè)已得到眾多國(guó)家的廣泛關(guān)注。然而，由于綜合國(guó)力、研究支持力度和人才等多方面的差異，不同國(guó)家和地區(qū)的量子通信技術(shù)研究水平存在差異。同時(shí)，越來(lái)越多國(guó)家正積極投入到量子通信技術(shù)的研究當(dāng)中，這對(duì)于推動(dòng)量子通信技術(shù)研究的發(fā)展與進(jìn)步頗有裨益。

圖3 量子通信技術(shù)研究國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)

2.3 主要研究機(jī)構(gòu)分析

圖4展示了量子通信技術(shù)領(lǐng)域發(fā)文量排名前10的研究機(jī)構(gòu)。其中，中國(guó)機(jī)構(gòu)數(shù)量最多，共有7家，中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（澳門(mén)大學(xué)）和北京郵電大學(xué)的發(fā)文量高居前三。除中國(guó)的機(jī)構(gòu)外，還有3家機(jī)構(gòu)分別來(lái)自美國(guó)、加拿大、俄羅斯。

圖4 量子通信技術(shù)研究發(fā)文量TOP10機(jī)構(gòu)比較

2.4 作者分析

不同學(xué)科領(lǐng)域都有相應(yīng)的領(lǐng)軍人物，由于文獻(xiàn)具有及時(shí)性的特點(diǎn)，文獻(xiàn)作者一般也是在該領(lǐng)域有一定研究能力或有一定影響的人，因此，這里通過(guò)對(duì)作者在該領(lǐng)域的文獻(xiàn)發(fā)表量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以找出高產(chǎn)和核心作者。

2.4.1 作者分布規(guī)律分析

美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家洛特卡經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)科學(xué)家的生產(chǎn)能力存在一定規(guī)律，并于1926年首先提出了反映作者生產(chǎn)能力的洛特卡定律[5]，即平方反比定律。本研究依據(jù)這一原理對(duì)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究論文進(jìn)行分析，并進(jìn)一步擬合出該研究主題的洛特卡公式。

在洛特卡的計(jì)算過(guò)程中排除了高產(chǎn)作者，所以本文只統(tǒng)計(jì)了發(fā)文量小于等于12篇的論文數(shù)據(jù)（發(fā)文量大于12篇的作者數(shù)在所有作者中的比例不到0.3%，對(duì)結(jié)果不會(huì)造成影響）[6]。本次研究共統(tǒng)計(jì)出9 010位相關(guān)作者，表2中列出了發(fā)文量小于等于12篇的作者數(shù)據(jù)。

表2 發(fā)文量小于等于12篇的作者分布數(shù)據(jù)

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

f(x)=C/x2

經(jīng)過(guò)人們的歸納與整理，洛特卡定律的廣義表達(dá)式為f(x)=C/xn，其中C、n為參數(shù)。現(xiàn)用最小二乘法計(jì)算n值。公式如下：

其中，X=lgX，Y=lgY，N為作者總數(shù)（N=9 010）。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得n=2.227 058 239，與洛特卡的結(jié)果基本一致，即基本契合平方反比定律。

再對(duì)C值進(jìn)行計(jì)算，公式為：

其中，x取值為[1,∞]，但一般認(rèn)為x超過(guò)20時(shí)誤差可忽略不計(jì)，所以這里取x最大值為20。經(jīng)計(jì)算可得C=1.453 777 12。

所以，量子通信技術(shù)領(lǐng)域的洛特卡公式為：

洛特卡定律中常數(shù)C象征某學(xué)科領(lǐng)域的成熟度，C值越大，表明該領(lǐng)域的研究成熟度越低。量子通信技術(shù)研究領(lǐng)域經(jīng)計(jì)算C=1.453 777 12，大于0.6，說(shuō)明量子通信技術(shù)領(lǐng)域還處在發(fā)展階段，但前景較好，也表明雖然中國(guó)目前在量子通信技術(shù)領(lǐng)域的論文發(fā)表量情況較好，但還應(yīng)繼續(xù)深入研究，探索量子世界的奧秘。

2.4.2 高產(chǎn)作者分析

根據(jù)普賴(lài)斯的研究得知，在文獻(xiàn)分布領(lǐng)域內(nèi)，有75%的科學(xué)家一生只發(fā)表一篇論文[6]。根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，量子通信技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表1篇論文的作者占69.74%，與普賴(lài)斯得出的結(jié)果相比差距并不大。同時(shí)，根據(jù)普賴(lài)斯平方根定律可以分析得出：在量子通信技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的9 219位作者中，發(fā)文量前96位（即）的作者應(yīng)為高產(chǎn)作者，占全體作者總數(shù)的1.04%，他們的發(fā)文量都在21篇以上，由此，Guo Y、Yin ZQ等高產(chǎn)作者產(chǎn)生。

表3 高產(chǎn)作者TOP9分布數(shù)據(jù)

2.4.3 核心作者合作網(wǎng)絡(luò)分析

由圖5可知，目前量子通信技術(shù)領(lǐng)域的論文核心作者已初成體系，存在較為穩(wěn)定的合作關(guān)系，學(xué)者之間的交流較為緊密。

圖5 量子通信技術(shù)核心作者合作網(wǎng)絡(luò)

2.5 論文被引情況分析

通過(guò)從Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)下載的引文報(bào)告可以得出：4 124篇論文去除自引后的總被引次數(shù)為67 839次，施引次數(shù)為34 342次，平均被引次數(shù)為21.7次，h指數(shù)為122。其中，被引次數(shù)排名前10的論文中，中國(guó)作者發(fā)表的論文被引數(shù)排名僅第9，一定程度上說(shuō)明了雖然中國(guó)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域的論文發(fā)表數(shù)量非?？捎^(guān)，但是在論文的影響力上仍有待提升。同時(shí)，如圖6所示，近十年量子通信技術(shù)領(lǐng)域研究論文被引頻次呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖6 2011—2020年量子通信技術(shù)研究論文被引頻次

2.6 期刊分析

根據(jù)布拉德福定律，將量子通信技術(shù)研究論文的期刊量及期刊發(fā)文量整理總結(jié)得表4。其中，按照布拉德福分散定律，核心期刊論文數(shù)∶相關(guān)期刊論文數(shù)∶邊緣期刊論文數(shù)=1 ∶1 ∶1，將論文總數(shù)4 124除以3，得到各區(qū)域平均論文數(shù)的理論值為1 375。由此，量子通信技術(shù)領(lǐng)域核心區(qū)期刊論文數(shù)量為1 379篇，相關(guān)區(qū)期刊論文數(shù)量為1 370篇，邊緣區(qū)期刊論文數(shù)量為1 375篇。并且，核心區(qū)域（區(qū)域1）期刊數(shù)為6，相關(guān)區(qū)域（區(qū)域2）期刊數(shù)為35，邊緣區(qū)域（區(qū)域3）期刊數(shù)為217，即區(qū)域1 ∶區(qū)域2 ∶區(qū)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(shù)為6。

表4 布拉德福定律期刊分析

2.7 高頻關(guān)鍵詞分析

本文運(yùn)用高頻關(guān)鍵詞分析法，統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)近10年量子通信技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵詞，確定了其中的高頻詞，進(jìn)而利用這些高頻關(guān)鍵詞對(duì)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.7.1 關(guān)鍵詞的確定和篩選

運(yùn)用NoteExpress軟件的文件夾功能，共統(tǒng)計(jì)出4 634個(gè)關(guān)鍵詞。為了使選取的關(guān)鍵詞能反映量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，且數(shù)量適中，本文選取了詞頻不小于16次的關(guān)鍵詞加入詞表，并將部分同義詞進(jìn)行整合。最后，共收錄了49個(gè)關(guān)鍵詞計(jì)入詞表中，如表5。

表5 2011—2020年量子通信技術(shù)研究論文高頻關(guān)鍵詞詞表

2.7.2 高頻關(guān)鍵詞的年度分布統(tǒng)計(jì)及分析

通過(guò)對(duì)量子通信技術(shù)領(lǐng)域近10年的論文關(guān)鍵詞詞頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)前量子通信技術(shù)領(lǐng)域的前沿技術(shù)研究方向主要集中在量子密鑰分發(fā)與量子保密通信這兩大課題上。量子密鑰分發(fā)是指利用量子力學(xué)特性來(lái)保證通信安全性，使通信的雙方能夠產(chǎn)生并分享一個(gè)隨機(jī)的、安全的密鑰來(lái)加密和解密消息[8]。目前有關(guān)量子通信的研究主要集中在其通信時(shí)的保密技術(shù)上。而量子糾纏與量子隱形傳態(tài)是解釋量子密鑰分配與量子保密通信的兩大核心基礎(chǔ)概念[9]，因此其在總詞頻出現(xiàn)率中僅次于量子密鑰分配與量子保密通信。

此外，關(guān)鍵詞當(dāng)中還出現(xiàn)了一個(gè)人名——“潘建偉”，潘建偉是目前我國(guó)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。2016年8月，中國(guó)科學(xué)家自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)項(xiàng)目的首席科學(xué)家正是潘建偉[10]?！芭私▊ァ边@個(gè)名字是國(guó)內(nèi)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(shù)領(lǐng)域的論文關(guān)鍵詞中也出現(xiàn)了89次之多。

2.7.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類(lèi)分析

將Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中量子通信技術(shù)研究論文有關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入VOSviewer可視化軟件中，繪制出量子通信技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類(lèi)圖，以便更直觀(guān)地揭示此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

如圖7所示，節(jié)點(diǎn)的大小表示度數(shù)中心度，根據(jù)中心度的定義不難看出世界量子通信技術(shù)領(lǐng)域中quantum key distribution（量子秘鑰分發(fā)）、cryptography（量子密碼）、security（量子保密通信）等技術(shù)處于領(lǐng)域的中心，也是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。圖中各節(jié)點(diǎn)之間連線(xiàn)的粗細(xì)則代表了各研究方向之間關(guān)聯(lián)的緊密程度，反映出量子通信技術(shù)領(lǐng)域研究方向較集中，各研究熱點(diǎn)之間聯(lián)系緊密。

圖7 量子通信技術(shù)關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類(lèi)

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)近10年來(lái)國(guó)際量子通信技術(shù)領(lǐng)域研究論文的計(jì)量分析，具體描述了目前量子通信技術(shù)領(lǐng)域的核心期刊、高產(chǎn)作者、核心作者、研究熱點(diǎn)等。利用布拉德福定律和洛特卡定律，驗(yàn)證了期刊和作者的分布規(guī)律。同時(shí)，利用高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類(lèi)分析揭示了量子通信技術(shù)研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。從論文發(fā)文量、研究機(jī)構(gòu)、國(guó)家地區(qū)、作者、被引情況、核心期刊以及高頻關(guān)鍵詞等方面進(jìn)行了全面總結(jié)，研究結(jié)果如下：

（1）增長(zhǎng)性。主要表現(xiàn)在2011—2020年10年間量子通信技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)文量穩(wěn)步增長(zhǎng)，前景光明，正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期。

（2）合作性。從VOSviewer可視化結(jié)果來(lái)看，各國(guó)家、各研究機(jī)構(gòu)、各研究人員之間合作緊密，呈網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，說(shuō)明該研究方向得到了全球普遍的關(guān)注和重視。其中，中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等展現(xiàn)出較強(qiáng)的國(guó)際合作能力。

（3）集中性。中國(guó)是量子通信技術(shù)研究發(fā)文量最多的國(guó)家，以29.8%的份額位列第一，居世界量子通信技術(shù)領(lǐng)域的第一梯隊(duì)。目前，在全球量子通信技術(shù)發(fā)展中，中國(guó)和美國(guó)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而其他國(guó)家仍存在一定的差距，體現(xiàn)出了明顯的集中特性。

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

（5）發(fā)展性。通過(guò)對(duì)高頻關(guān)鍵詞的共現(xiàn)聚類(lèi)分析，得出量子通信技術(shù)研究熱點(diǎn)主要涉及量子密鑰分發(fā)、量子保密通信、量子隱形傳態(tài)、量子糾纏、量子密碼等，研究核心呈現(xiàn)出越來(lái)越豐富的趨勢(shì)。