基于Gephi知识图谱的量子光学芯片研究状况与热点分析

叶文莹

摘要：本文以web of science核心合集为基础数据库，借助excel、gephi软件总结分析量子光学芯片领域的发文趋势，国家分布，国内机构合作及热点关键词演变情况。通过定量与定性相结合的综述，以探析量子光学芯片领域的研究现状，为进一步拓展该领域的研究提供参考。

关键词：量子光学芯片;Gephi;文献计量分析

引言

随着光路复杂程度的不断提高，平台光学在稳定性、可扩展性等方面已经不能满足进一步研究的需要，发展遇到了瓶颈。而量子光学芯片有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点，因而在经典光学和量子信息领域都受到了广泛关注。近年来，基于光子的量子计算机获得了快速发展。利用光的量子特性实现量子计算，将光量子计算所需的器件集成到半导体芯片上，从而实现与当前半导体工业微纳加工技术相兼容的低功耗、小型化的半导体集成量子光学芯片是实现“量子霸权”的重要技术路径，将为未来特定计算问题解决提供重要支撑。基于此，本文通过文献统计及可视化方法，对该领域的文献进行归纳总结，全面掌握该领域研究的发展态势与变化规律，深入分析领域发文趋势、国家分布、国内机构合作以及研究热点关键词演进路径，为研究者后续开展相关研究提供借鉴。

1 数据来源与研究方法

本文聚焦于量子光学芯片研究领域，通过web of science核心合集对相关研究进行检索和计量统计，并借助Excel、Gephi软件对结果进行分析和可视化。本文围绕quantum、optical、chip、photon等关键词进行检索，共命中1483条检索记录，检索时间为2021年7月23日。剔除作者、关键词、发表日期及机构不完整的记录，筛选获得1114篇文献。

2 量子光学芯片领域文献计量分析

2.1 发文趋势

通过领域发文趋势分析，可以了解研究的热度变化与趋势特征。量子光学芯片领域年度发文趋势见图1。最早的论文可以追溯到1991年，在2003年之前，该领域的文献产出比较有限，发文量在10篇以下，呈现缓慢的增长趋势，属于萌芽时期。2003年以后，发文量增速加快，领域进入了较为快速的发展时期。

本文分析了该领域论文的年度篇均被引频次，发现2003年的篇均被引频次遥遥领先，超过了200次/篇。探究发现，Akahane， Y[1]等人于2003设计了基于硅材料的高Q值二维光子晶体微腔，大幅度提高了Q/V值，促进了光子元件的集成，因此极大地推进了该领域的发展。

本文还分析了我国的发文情况，相较于国外，我国该领域的研究起步比较晚，2010年才开始起步，不过起步后便发展较为迅速。

2.2 发文国家和机构

识别领域发文国家和机构可以为后续开展合作研究提供参考。统计发现，1114篇文献共涉及46个国家900余个机构。发文量前三的国家为美国，中国和英国，德国、日本、澳大利亚、意大利、荷兰、法国和韩国分别是发文量第四至第十的国家。其中美国的发文量为314篇，在该领域占据了领先地位，中国以252篇的发文量位列第二。

本文分析了我研究机构的合作情况。我国的252篇论文覆盖了国内158家机构，可见量子光学芯片在国内有着较为广泛的研究基础。中国科学院的发文量为72篇，排名第一。高发文学校不仅有中国科技大学、北京大学、南京大学、中山大学、上海交通大学、华中科技大学和浙江大学等“双一流”建设高校，也包括陕西大学、电子科技大学等普通院校。从机构合作看，形成了以中国科学院、中国科技大学和北京大学为核心的三大合作群体，其中国以中国科学院-中国科学院大学-浙江大学合作群体最具代表性，其他群体以华中科技大学为核心的群体也开始出现。

3 高频关键词分析

关键词是研究对象、研究内容和研究方法的高度概括和凝练，对高频关键词的分析在一定程度上可以揭示领域研究热点。利用gephi软件绘制领域关键词的共现图谱，如图2所示。其中light（光）、wave-guide（波导）、generation（产生）、emission（发射）、entanglement（纠缠）、state（量子态）、photon（光子）、cavity（空位）、circuit（回路）和laser（激光）等关键词的节点比较大，是该领域出现频次最高的关键词。关键词共现图谱形成了以light、wave-guide、generation、emission和entanglement为中心的五个聚类，表明至今为止该领域的研究主要围绕着光源、光波导、量子纠缠等几个方面展开。

为了研究高频关键词的演进情况，本文根据年度发文量将关键词进行了时间切片，分为了1991-2003、2004-2014和2015-2021三个时间段，聚类分布情况如图3所示。可以发现，2015-2021年之间的研究关键词与2004-2014年之间的关联度相对较高，表明这两段时间的研究主题有一定的相关度， 2004年之间的研究内容与2004年之后的关联度低，主要是因为2004年之前是该领域的早起发展阶段，研究处于摸索时期，文献成果相对来说不够成熟。而2015年后，较多的学者涉足该领域，在论文高产的同时，研究主题也得到了进一步的发展与成熟，表现为2015-2021年的关键词共现线条相对较粗。同时可以发现，2015年后出现了大量的新兴关键词，表明该领域仍旧处于探索的阶段，是一个相对前沿的研究热门主题。

4 结论与讨论

本文通过对量子光学芯片研究的系统综述，采用excel、gephi软件对文献进行计量分析，客观呈现了发文整体态势、发文国家分布、国内机构合作以及研究热点关键词及演进。主要结论如下：

1. 该领域的研究可追溯到1991年，1991-2003年為诞生时期，2003年至今进入了快速的发展时期。相较于国外，我国该领域的研究起步较晚，不过于2010年起步后便发展较为迅速。

2. 欧美国家是该领域的主要发文地区，其中前三位发文国家为美国、中国和英国。

3. 我国在该领域的主要研究机构分布较广，主要形成了以中国科学院、中国科技大学和北京大学为核心的三大合作群体。

4. 量子光学芯片的关键词共现图谱形成了以light、wave-guide、generation、emission和entanglement为中心的五个聚类。关键词时间切片演变结果显示，该领域仍处于新兴的探索阶段，是一个前沿的研究热点主题。

参考文献

[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.