量子通信技术领域的研究现状——基于科学计量学视角

淮孟姣 潘云涛 袁军鹏

(中国科学技术信息研究所，北京 100038)

量子通信技术领域的研究现状
——基于科学计量学视角

淮孟姣 潘云涛 袁军鹏

(中国科学技术信息研究所，北京 100038)

为了解国际量子通信技术相关领域的发展现状，也为明确中国近年来在该领域的发展情况及所处的地位，本文以Web of Science数据库为基础，以量子通信技术领域相关词语为检索词，检索2006～2015的10年间该领域的相关论文共16145篇.从科学计量学的视角出发，采用科学计量学和情报分析的方法，并利用UCINET、SciMAT等数据分析及可视化软件，对量子通信技术领域的发文量、国家、机构、作者、研究热点等内容进行分析.从时序分析了解领域内论文数量变化情况及发展速度；从国家、机构分布反映该领域处于领先地位的国家和机构；从期刊分布了解该领域发表的核心期刊；利用关键词统计及共现反映了该领域的研究热点；并从引用情况反映出该领域内发表论文的国家和机构的影响力.

量子通信；现状；科学计量学

量子通信是信息科学与量子力学相结合的新兴交叉学科，开拓了量子力学应用的新天地，为21世纪信息科学的发展提供了新的原理和方法[1].基于量子力学的特性，如叠加性、纠缠性、非局域性和不可克隆性等，量子通信技术可以突破现代信息技术的物理极限，有望以崭新原理和方法开拓后莫尔时代的新一代信息技术[2].

科学计量学则是一门以科学自身为研究对象，进行定量研究的学科.这门学科借助科学计量学指标，运用数学方法计量科学研究的成果、描述科学体系的结构、分析科学系统的内在运行机制，揭示科学发展的时空特征，也探讨在整个社会大背景之下科学活动的定量规律性[3].目前，该定量研究方法已经应用在多个领域，用于衡量某领域的发展水平，也为领域的发展提供定量依据和支持.

量子通信理论产生于科学综合期，其最初出现的目的和意义在于突破现有经典信息系统的极限.随着量子通信自身理论的发展，特别是在1994年，P.W. Shor提出量子通信算法之后，量子通信成为各国科学研究的重点[4].此后，国际间的激烈竞争使得量子通信理论得到快速发展.就目前而言，量子通信技术的基础研究已经比较成熟，并正由基础研究走向应用基础研究和应用研究，尤其是量子通信技术，目前已经可以实用[5].为争取在国际量子通信领域占据主动地位，我国科技部将量子通信确立为“973项目”来做重点研究[6].白雨虹等人将科学计量学应用在了量子光学与量子信息领域，并对该领域1991～2006年的文献进行计量分析发现，中国量子通信技术研究在思考和摸索中走到了重要突破的前夜，且研究成果越来越受到国际科学家的广泛关注[7].由于该领域发展较为迅速，因此，为了解近10年来(2006～2015年)量子通信领域的发展情况，本文拟对已发表的量子通信领域的论文进行计量分析，从文献产出角度分析该领域发展的演化趋势以及该领域的发展现状，以促进该领域稳定健康的发展；同时通过中国与其他国家的对比，了解现状与不足，以期为我国之后的研究发展提供可供借鉴的建议.

1 数据来源及方法

本文所采用的数据来源于Web of Science数据库中的SCI-Expanded(SCI-E)数据.该数据库收录了来自全球的8500多种期刊的论文和引文数据，覆盖150多个学科，可回溯至1900年，内容涉及自然科学和工程技术的各个领域，具有全面而可靠的覆盖范围，能够进行方便的引文搜索、便捷地识别作者的身份.是目前国际上被公认的最具权威的科技文献检索工具，也是科学计量学的重要工具.

数据具体检索方法为，以SCI-E数据为基础，以该领域的相关词为检索主题.量子通信是以量子态作为信息单元来实现信息的有效传送的，在量子通信中，除了需要传统的经典信道外，更为主要的还需建立通信各方之间的量子信道.所谓量子信道实际上就是通信各方之间的量子纠缠.量子纠缠在通信中的应用，创造出了用量子信道传送经典比特的“量子密集编码”、用经典辅助的办法传送量子态的“量子隐形传态”以及信息保密传送所需的“绝对安全的量子密码”等经典信息理论不可思议的奇迹[8].量子纠缠(photon entanglement)可以说是量子通信技术最核心的部分，量子密码(key distribution)是量子通信技术领域最可能得到实际应用的技术[9].由此可见，量子通信技术领域所涉及的学科领域比较广泛，因此，本文以量子通信领域内的重要研究小组，即潘建伟小组所产出的与量子通信有关的论文为基础，抽取其主题及关键词等，经过反复的检索实验，以求覆盖该领域较为全面的文献.最终确定本文的检索式为：主题：(“linear optic*” OR “electromagnetically induced transparency” OR “neutral atom” OR “key distribution” OR “quantum memor*” OR “quantum nonlocality” OR “photon entanglement” OR “photon detect*” OR “resonance fluorescence”).文献类型限定为“Article”或“Review”，时间限定为“2006～2015”，经过去重及去除无关数据等处理后，共得到16145条数据.这些数据包括了作者信息、发表年、题目、关键词等信息.

具体的分析方法为，采用Excel及UCINET、SciMAT等数据分析及可视化软件，从时序、国家分布、机构分布、期刊分布、作者合作、关键词、引用等方面对所获得的文献进行计量分析，从而把握其分布特征.其中，时序分析可以反映领域内论文数量变化情况及发展速度；国家、机构分布可反映该领域处于领先地位的国家和机构；期刊分布可以了解该领域发表的核心期刊；利用关键词统计及共现可以反映该领域的研究热点；引用情况则可以反映该领域内发表论文的国家和机构的影响力.总之，利用论文数量对特定领域进行文献计量分析，便于快速地对该领域的研究现状进行宏观了解[10].

2 结果与分析

2.1 时序分析

根据检索结果，相关研究领域的论文共有16145篇，具体2006—2015年的年度分布如图1所示.从图1中可以看出，该研究领域的论文在2006—2015年间呈现逐步上升的趋势，从2006年的1212篇到2015年2000篇，年增长率为6%.该研究领域的科研产出在2006-2015年间处于稳步上升阶段，说明相关的研究近10年来越来越受到关注.

图1 2006—2015年量子通信领域论文产出数量

2.2 地区分布

数据库的地区统计(第一作者第一国家)显示，共有85个国家或地区发表了与量子通信相关的文献，排名前10位的国家发表的文献数量及发文量百分比如表1所示：

表1 2006—2015年与量子通信相关文献的国家/地区分布

从表1可以看出，排名前10名的国家发表的文献占总量(16145)的72.08%.其中，中国与美国的文献量远远领先于其他国家，占全部发表文献量的39.95%.此外，德国、印度、日本及英国在量子通信领域也有不俗的表现.对排名前5名的国家的年发文量趋势进行比较(图2所示)，可以更明显地看出美国与中国的发文量远超于其他国家，且其他4个国家近10年来在量子通信领域一直保持平稳发展.而中国，量子通信领域的年发文量始终处于快速发展状态，尽管在2006～2007年时的年发文量少于美国，但从2008年开始超越美国.这表明我国对于量子通信领域的关注程度越来越高，且研究者们在该领域有较大的突破与进展，研究成果方面领先于世界上其他的国家.

图2 量子通信领域发文量前5名国家

2.3 研究机构分布

对研究机构进行规范化处理，以第一作者的研究机构为基础，最终得到世界各国发表关于量子通信的论文量排名前10名的研究机构，包括中国科学技术大学、中国科学院、俄罗斯科学院、德国马普研究所、美国国家标准与技术研究院等.

发文量前10名的研究机构共发文1803篇，占该领域论文的11.17%.其中，中国科学技术大学和中国科学院的发文量位居榜首，是排名第三的俄罗斯科学院的发文量的2倍.从国家和地区来看，中国有4个，美国有3个，俄罗斯、德国、瑞士各有一个机构.其中，中国的4个机构共发文957篇，占前10名发文量的52.96%，说明中国学者在该领域的自主研究比例比较大.

表2 量子通信领域发文量排名前10名的研究机构

根据发文量，我们对量子通信领域内发文量居前10名的中国机构进行统计分析.这10个研究机构的总发文量为1602篇，占中国总发文量(3951篇)的40.55%.其中，中国科学技术大学、中国科学院的发文量位居前2名，且发文量远大于其他机构，说明这两个机构是国内量子通信领域的中坚力量.

表3 中国量子通信领域发文量排名前10名的研究机构

2.4 期刊分布

对论文的发表期刊进行统计，排名前10名的期刊如表4所示.这10种期刊的总发文量为6458篇，占该领域论文数量的40%.其中发表在《PHYSICAL REVIEW A》《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上的文章数量远远多于其他期刊.从影响因子来看，排名前10名的期刊的平均影响因子为3.035，其中，《PHYSICAL REVIEW LETTERS》的影响因子达到7.512.此外，整个数据集中有284篇论文的期刊来源为Nature、SCIENCE、CELL、PNAS四大名刊，占整个数据集的1.63%，这些均反映了该领域的产出论文质量较高.从期刊出版地来看，排名前10位的期刊中，有5种来自于美国，3种来自于英国，2种来自于荷兰.

表4 量子通信领域发文量居前10名的期刊

在量子通信领域，中国作者所发表的排名前10名的刊物如表5所示.这10种期刊的发文量(1816篇)占中国全部发文量(3951篇)的比例为45.96%.其中，中国发文量最多的期刊与国际上该领域发文量最多的期刊一致，即《PHYSICAL REVIEW A》，且发表的数量远远多于其他期刊.从影响因子来看，10种期刊的平均影响因子为2.267.从期刊出版地来看，10种期刊中最多的依旧是来自于美国，有5种期刊；中国有4种期刊进入，但其中有3种期刊的影响因子未达到1.说明，在量子通信领域，中国期刊的影响力还比较低，中国学者对于该领域的研究虽然发文量高，但整体研究水平还有待提高.

表5 中国量子通信领域发文量居前10名的期刊

2.5 涉及领域

国际上量子通信技术领域内论文涉及的相关领域主要集中在Physics(物理学)、Optics(光学)、Chemistry(化学)、Engineering(工程学)等领域.其中，排前10名的学科领域及其具体发文量如表6所示.

表6 涉及较多的前10个领域

续表

中国在量子通信领域内发表的论文共涉及31个领域，且位居前两位的领域与国际上所涉及的前两名的领域一致，均为Physics(物理学)、Optics(光学).此外，国际上与中国其余各领域之间的排名顺序差异不大，10个领域中有9个领域重合.中国量子通信领域排前10名的学科领域及其具体发文量如表7所示.

表7 中国涉及较多的前10个领域

2.6 作者分析

在全部16145篇文献中，有1247篇文献由一位作者独立完成，仅占全部文献数量的7.72%，剩余的92.28%的文献均有作者合作完成.其中，由2～3人合作完成的论文数量为5818篇，占全部论文数量的36.04%；4～5人合作完成的论文数量为4728篇，占全部论文数量的29.28%；作者超过5人的文章数量为4352篇，占全部论文数量的26.96%，而作者合作数最多的达到23人.总体来说，量子通信领域内，作者合作现象较为明显.

表8 作者合作数量表

从地区分布可知，中国作者在该领域内的发文量处于世界前列.其中，发文量前10名的中国作者如表9所示.这10个作者来自于6个研究机构，他们的发文量占中国全部发文量的17.64%.有5位作者来自于中国科学技术大学，且排名均较为靠前，其中郭光灿院士的发文量远高于排名第二位的作者，这也说明中国科学技术大学在该领域内的研究处于国内领先地位.其他5位作者则分别来自于西安交通大学、吉林大学、华中科技大学、北京师范大学、华中师范大学.

表9 量子通信领域发文量最多的10位作者

注： 作者每出现1次，则计数为1

图3 高产出作者合作网络图

由于该领域论文涉及的作者较多，因此，本文以论文发表数量超过30篇的作者为基础，利用UCINET软件做出如图3所示的作者合作网络.该图中显示的节点为点度中心度大于5的作者.其中，点度中心度是指在一个网络图中与某一个点直接相连的其他点的个数，个数多说明与他人的联系紧密.从节点大小及连线粗细来看，中国作者如中国科学技术大学的潘建伟教授及郭光灿院士等，处于几个合作次数较多的网络中心.整体来说，在量子通信技术领域，我国高产出作者与本国作者及国际高产出作者的合作处于较好的水平.

2.7 研究热点分析

2.7.1 关键词共现分析

经过关键词频次统计之后，选择国际关键词出现频次大于30的所有关键词来构建关键词共现分析矩阵.之后利用UCINET软件绘制出量子通信领域的关键词共现图，以便于更直观地展现该领域的研究热点.国际高频关键词网络关系图如图4所示.

图4 量子通信领域高频关键词网络关系图

图4中，节点的大小表示度数中心度.根据度数中心度的定义，可以看出国际量子通信领域中，quantum key distribution(量子秘钥分配)、electromagnetically induced transparency(电磁诱导透明)、quantum cryptography(量子密码)、non-linear optics(非线性光学)等技术处于该领域的中心，也是该领域的研究热点.图中各节点之间连线的粗细代表了各研究方向之间联系的紧密程度.因此，从图上也可以看出，各研究热点之间具有较为紧密的联系.而从图5可以看出，中国目前的研究热点与国际研究热点基本保持一致，均集中在quantum key distribution、electromagnetically induced transparency等方向.但与国家研究热点相比，中国在non-linear optics方面的研究相对较少.

图5 中国量子通信领域高频关键词网络关系图

2.7.2 关键词变化分析

将该领域的文献分为3个时间段，分别为2006—2008、2009—2011、2012—2015年，利用SciMAT软件对量子通信技术领域的研究主题随时间的变化趋势进行分析.图6为该领域3个时间段的主要关键词重叠图.从左至右依次为2006—2008、2009—2011和2012—2015.横箭头上方的数字表示在两个阶段均存在的主要关键词数量和百分比，斜上箭头旁数字表示消失的关键词数量，斜下箭头旁数字表示新生的关键词数量[11].从图6可以看出，量子通信技术领域的主要关键词在不断增长，各阶段新生词要大于消失词，这表明该领域的研究内容发展较为稳定，且随着时间的推移发展更为丰富.

图6 量子通信领域3阶段主要关键词重叠图

2.7.3 研究热点发展程度分析

SciMAT所绘制的战略图可以反映出类团的成熟度、核心度的演进情况.其中位于第一象限的类团代表其成熟度高、核心度也高.图7(a)是2006—2008年量子通信领域的相关研究热点战略图.成熟度高、核心度也高的类团有：ELECTROMAGNETICALLY-INDUCED-TRANSPARENCY、CRYPTOGRAPHY(加密)、BANDGAP-STRUCTURES(带隙结构)、LINEAR-OPTICS(线性光)，这可以说是量子通信技术领域的核心类团.

图7(b)是2009—2011年量子通信领域的相关研究热点战略图.其中，ELECTROMAGNETICALLY-INDUCED-TRANSPARENCY、CRYPTOGRAPHY保持高成熟度、高核心度不变.此外，PARAMETRIC-DOWN-CONVERSION(参量变换)、STATE(状态)等成长为高成熟度类团.

图7(c)是2009—2011年量子通信领域的相关研究热点战略图.其中，ELECTROMAGNETICALLY-INDUCED-TRANSPARENCY、CRYPTOGRAPHY、STATE保持高成熟度、高核心度不变.DENSITY-FUNCTIONAL-THEORY(密度泛函理论)、HIDDEN-VARIABLE-THEORIES(隐藏多变理论)、SINGLE-PHOTON-DETECTION(单光子探测)、NEUTRAL-ATOMS(中性原子)等成长为高成熟度类团.从3个阶段的研究热点变化来看，ELECTROMAGNETICALLY-INDUCED-TRANSPARENCY、CRYPTOGRAPHY一直是该领域的研究核心，此外，研究核心也呈现出越来越丰富的趋势.

2.8 论文被引情况分析

一个国家关于某一学科领域的研究水平不但反映在论文数量上，还可以从论文影响力上得以判断[12].论文的被引频次是评价论文影响力的重要指标之一，因此，本文对量子通信领域内的论文被引频次进行了统计分析.

国际论文中，总被引频次为275880，平均被引频次为17.09，其中被引频次为零的论文有3090篇.经过统计得出，国际量子通信领域引用频次最高的论文为美国人Hasan, MZ于2010年发表于《REVIEWS OF MODERN PHYSICS》上的论文——Colloquium: Topological insulators，被引频次达到3759次.对该领域论文被引频次进行分析，被引频次排名前10的论文中有5篇的第一作者来自美国，中国则没有文章进入前10名.该领域被引频次前10名的论文的具体信息如表10所示.

图7(a) 2006—2008年研究热点战略图

图7(b) 2009-2011年研究热点战略图

图7(c) 2012-2015年研究热点战略图

表10 量子通信领域前10篇高被引论文

续表

中国在量子通信领域内的论文的总被引频次为32565，平均被引频次为8.24.被引频次最多的论文是：中国科学院数学与系统科学研究院骆顺龙研究员于2010年发表于《PHYSICAL REVIEW A》上的一篇论文——《Quantum discord for two-qubit systems》，其被引频次为496次.中国在该领域被引频次前10名的论文的具体信息如表11所示.

表11 中国量子通信领域前10篇高被引论文

对发文量排国际前5位的国家的论文被引频次进行统计分析，美国的篇均被引频次处于遥遥领先的地位，是中国的篇均被引频次的3.81倍.而中国的篇均被引频次低于世界平均水平，也低于美国、德国、日本等世界科技强国.在被引频次为零的论文方面，中国与印度的论文数量相对比较高.也就是说，在量子通信领域，尽管中国在发文量方面领先于其他国家，但整体影响力还有待提高.此外，文献的被引用次数越多，说明该文献的科学知识生产质量越高，含原始创新的成分越多[13].因此，从这一方面讲，我国在量子通信领域内的论文的原始创新水平还有待提高.

表12 5个国家在量子通信领域发表论文的被引情况

3 结语

本文以量子通信领域的相关文献数据为基础，从不同角度对其进行计量分析，以了解该领域的相关研究现状及进展.通过研究发现，近10年来，量子通信领域的文献数量呈现稳步上升趋势，说明该研究方向得到了全球普遍的关注和重视.

从地区及机构分布来看，重视量子通信技术研究的主要国家有中国、美国、德国、印度、日本，其中，中国与美国的论文数量远多于其他国家的论文数量，且中国的论文数量甚至超越了美国.同时，中国科学院、中国科学技术大学的论文产出量居于国际前列.从作者合作情况来看，中国的高产出作者较多，且与国际高产出作者的合作具有较高的水平.也就是说，中国在该领域的论文产出量方面具有不俗的表现.

从发表期刊来看，国际上所发表的期刊具有较高的影响力，中国所发表的期刊中，有4个是中国期刊，且其中3个的影响因子未达到1.而从论文的被引情况来看，中国论文的最高被引频次及平均被引频次均小于美国、德国、日本等科技发达国家，且具有比例较高的未被引用论文.因此，尽管中国在该领域的论文量较大，但整体影响力还有提高的余地.

涉及领域分布及研究热点方面，中国与国际现状基本保持一致.涉及领域主要集中在Physics、Optics；研究热点则集中在Quantum key distribution、Electromagnetically induced transparency.

相关研究表明，我国在量子通信技术方面整体上并不落后，在理论和实验两方面均走在了世界前列，在有些方面甚至处于世界领先地位[14].本文从文献计量角度验证了这一结论，但同时也反映出了我国在该领域所存在的问题，即在之后的研究过程中注重研究成果的数量的同时，也应更注重研究成果的整体影响力的提升.

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THE RESEARCH STATUS IN THE FIELD OF QUANTUM COMMUNICATION TECHNOLOGY——BASED ON THE PERSPECTIVE OF SCIENTOMETRICS

Huai Mengjiao Pan Yuntao Yuan Junpeng

(Institute of Scientific and Technical Information of China, Beijing 100038)

In order to acquire the international development of quantum communication technology, as well as to know the development and the position of China in this field in recent years, we search the related words in the Web of Science database. Then we get in total about 16145 related papers from 2006 to 2015. We use bibliometrics methods and the UCINET, SciMAT to analyze the quantity, countries, institutions, authors and hot topics of these papers. Then we can know the change of quantity and the pace of development of this field from time series analysis; the leading countries and institutions from the distribution of the countries and institutions; the core journals from the periodical distribution; the hot topics of this field from the statistics and co-occurrence of keywords; and finally the influence of countries and institutions in this field from citations of the papers.

quantum communication; status; scientometrics

2016-05-02；

2016-05-22

淮孟姣，女，硕士研究生，主要从事期刊及论文评价工作，研究方向为科学计量学、科研诚信.huaimj2014@istic.ac.cn；潘云涛，女，研究员，主要从事期刊及论文评价工作，研究方向为科学计量学与科技评价.panyt@istic.ac.cn；袁军鹏，男，研究员，主要从事期刊及论文评价工作，研究方向为科学计量学、科研诚信.yjp@istic.ac.cn

淮孟姣,潘云涛,袁军鹏. 量子通信技术领域的研究现状——基于科学计量学视角[J]. 物理与工程，2016，26(5)：46-56，61.