量子密码技术国际研究态势分析

李海英

摘要：论文通过科技文献分析了“量子密码”主题的国际研究态势，并通过文献计量学，纵观了量子密码研究的整体趋势、地域分布、重点机构分布、重要产出期刊等。同时，通过开源工具，对量子密码研究进行了主题态势分析。

关键词：量子密码;文献计量;主题态势

中图分类号：G255.51 ;TN918.4          文献标识码：A

1 引言

量子密码技术是传统密码学和量子物理学相结合的产物，利用光子偏振文献现象携带数据，利用海森堡测不准原理和量子不可复制定理实现密钥分发[1]。相比传统数字密码技术，量子密码术拥有无条件安全性和对窃听者的可检测性，拥有巨大的发展前景。目前，国内外对量子密码学的研究处于蓬勃发展期，通过文献计量学，纵观量子密码研究的整体趋势、地域分布、重点机构分布、重要产出期刊等，基于关键词共现的方法，通过开源工具Vosviewer对量子密码研究进行主题态势分析。本文结果可以为量子密码学研究人员提供学科整体态势参考，以期让量子密码技术领域研究人员对整体研究态势有所把握。

2 数据来源

在制定检索策略时，以量子密码技术主要学名和其它态势研究论文[2，3]为参考，以TS=（“quantum cryptography”or“quantum key”or“quantum signature”or“quantum Secure Communication”）为检索式，在Web of Science 检索系统中的科学引文索引扩展版（SCIE）进行检索。检索时间为2019年1月7日，共检索得到5295条量子密码研究相关数据。

3 研究态势分析

3.1 研究整体趋势

从SCI论文的发文整体趋势，如图1所示可以看出，最早的研究始于20世纪80年代末期。在1984年，Charles H.Bennett和Gilles Brassard提出了著名的BB84量子密钥分配协议，此后量子密码研究课题如雨后春笋般地涌现。从2001年开始，对于量子密码的研究进入了快速发展期。此后，虽有起落，但总体呈现较快上升趋势，目前该领域仍处于研究的蓬勃发展期。

量子密码领域论文产出排名前十的国家如图2所示，分别是中国、美国、英国、日本、加拿大、德国、瑞士、意大利、法国和俄罗斯。中国在该主题的研究占绝对优势，发文数量远超第2名美国。可见，中国是当今世界量子密码研究的主要阵地。

3.2 主要研究机构

表1列出了全球量子密码研究领域的前二十位发文机构，其中中国9家（包括中国台湾1家）、日本3家，俄罗斯、加拿大各2家，德国、瑞士、新加坡、英国各1家。美国并未有机构进入TOP20，第21位是美国麻省理工大学，发文为67篇。发文量排名前五位的机构依次是中国科学技术大学、北京邮电大学、中国科学院（发文最多的是中国科学院信息工程研究所）、日内瓦大学和滑铁卢大学。前二十位发文机构以高校和科研院所为主，日本则以企业为主。

中国的科学家近十年来在量子研究领域成绩斐然。中国科学技术大学潘建伟等多次刷新在光缆中安全传输距离的世界纪录。中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎、张强等人在量子通信复杂度方向取得重要进展，首次通过实现两方分布式计算任务通信方向的相干叠加，证明了量子通信相对于经典通信，有着指数级别的优势[4]。

3.3 论文影响力分析

对全球发表的关于量子密码研究论文的被引频次进行分析，以国家进行累积加和，并计算其篇均被引频次，如表2所示。总被引次数和篇均被引次的高低说明研究的影响力大小，其中总被引次数表示国家在该研究领域的影响力，篇均被引次数表示发表论文的被关注的程度。

从被引总频次来看，前十位依次是美国、英国、中国、瑞士、加拿大、德国、日本、法国、澳大利亚、西班牙。美国总被引频次达36178，其篇均被引频次为48.43，排在世界第8位。如图3所示，平均被引频次最高的国家是瑞士，达106.75，可见瑞士虽然发文量相比较少，但被关注度较大。中国论文总数排第1位，总被引频次位于第3位，篇均被引频次也排在第16位，可见中国的文章被关注相对较弱。

4 主题分析

本节研究内容基于关键词共现的方法，对近5年（2014-2018年）量子密码学研究发表的论文进行主题分析，将近5年量子密码学研究SCI论文作为一个数据集，采用Thomson Data Analyzer软件将论文的Keywords Plus字段经过机器与人工清洗，之后利用VOSviewer软件对论文核心主题词代表此主题中出现的高频主题词数据进行聚类;根据论文数据集大小设置一定共现频次和共现强度对关键词进行聚类。结合专家判读，分别对每个聚类进行命名和解读，对期刊发文主题进行识别和分析。

分析结果中的核心主题词平均被引频次代表包含此主题词的论文发文以来的平均被引频次;平均关联强度代表此主题概念包含的核心主题词间联系的紧密程度，主题关联强度越大代表核心主题词间共现强度越大、研究越集中，反之则代表共线强度相对较低、研究越分散。

量子密码领域近5年共计发论文2175篇，以Keywords Plus为分析字段，经过机器与人工清洗后，从1461个关键词中选取出现频次大于6次的219个关键词作为分析对象，进行聚类计算。通过对这些论文中共现强度最大的核心主题词进行聚类，得到5个簇，如图4所示。

对以上5个主题进行分析，结果如表3所示。

主题1：量子认证研究主要包括認证协议、安全性分析、量子签名、仲裁量子签名、量子信道认证等。

主题2：量子纠缠态研究主要包括量子纠缠态自检、量子纠缠态稳定性研究、量子纠缠态的确定性等。

主题3：量子协议研究主要包括量子密钥分发（BB84协议即为一种密钥分发协议）、安全直接通信（QSDC）及量子签名。用光子等粒子作为量子源，利用贝尔态、GHZ态和W态等纠缠态构建协议。

主题4：计算攻击研究主要包括Fourier相关变换、量子因子分解、RSA算法攻击等。

主题5：光子源研究主要指利用线性光学制备良好的可供通信的光源，包括量子比特制备、复合量子比特制备、量子比特变换、单光子信息检测技术等。

5 结束语

从发文数量分析，量子密码研究目前仍处于研究蓬勃发展期，中国是当今世界量子密码研究的主要阵地。中国发文数量较多，但相对影响力较差，关注度较低。近5年量子密码学的研究主要集中在量子认证、量子纠缠、量子协议、量子计算攻击和光子源方面。

参考文献

[1] 陆炳旭.量子密码技术发展概述[J].计算机光盘软件与应用，2014，17（24）：314-315.

[2]  刘小平，李泽霞.基于共词分析的量息学前沿热点分析[J].科学观察，2014，9（05）：13-22.

[3]  张志强，陈云伟，陶诚，徐婧，田倩飞.基于文献计量的量子信息研究国际竞争态势分析[J].世界科技研究与发展，2018，40（1）：37-49.

[4]  Wei K ， Tischler N ， Zhao S R ， et al. Experimental Quantum Switching for Exponentially Superior Quantum Communication Complexity[M]. Physical Review Letters 122， （2019）.