2011—2020年量子通信技术领域的研究现状及热点分析

王婉婧 张可颐 郭欣欣

（天津师范大学,天津 300387）

量子通信是信息科学与量子力学相结合的新的交叉学科，它为量子力学的应用开辟了新的天地[1]，为21世纪信息科学的发展提供了新的原理和方法。基于量子力学的叠加、纠缠、非局域等特性，量子通信技术可突破现代信息技术的物理限制，有望以新的原理和方法成为后摩尔时代的新一代信息技术[2]。文献计量学是一门跨学科的科学，它用数学和统计的方法对所有知识载体进行定量分析[3]。这种定量研究方法可以用来衡量某一领域的发展水平，也可以为该领域的发展提供定量依据和支持。本文对2011—2020年10年间发表的量子通信技术领域研究论文进行计量分析，从多角度分析该领域的发展现状及研究热点，以期为我国今后的相关研究发展提供参考。

1 数据来源及处理方法

本文收集近10年量子通信领域文献的相关信息，对数据进行预处理，从时间、地域、合作人等多维度进行分析，借助可视化工具展示相关结果，结合当前量子通信的实际研发情况做出合理认定。

1.1 数据来源

本文选取Web of Science数据库作为数据来源，为较全面地覆盖量子通信技术领域的全部文献，搜集了该领域的相关词作为检索主题，确定检索式为：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")。时间跨度选取2011—2020年，文献类型限定为“Article”，共检索出4 230篇相关论文。

1.2 处理方法

针对检索结果，借助Excel软件中排序、归类汇总等功能，剔除反复的论文及通知、会议、纪要、讲演等非原发性论文，最终获得4 214篇有效论文可用于定量分析。

2 结果与分析

以下通过对发文量、主要发文国家、合作网络、关键词等指标进行分析，得出量子通信领域当前的研究现状及研究热点。

2.1 发文量分析

论文发表数量是衡量作者和单位对科研工作贡献的一个重要依据，特别是发表在核心期刊中的论文数量，更具有现实意义。

2.1.1 论文的年代分析

本研究统计了2011—2020年全球量子通信技术相关研究的发文情况，如表1。由表1可以看出，近10年量子通信技术领域的年度发文量稳步增长，相对来说2017—2019年间增长速度较快，而2015年和2020年的发文量与前一年相比稍有下降，值得关注的是，2020年的发文量是2011年发文量的2倍之多。

表1 2011—2020年量子通信技术研究论文年代分布表

2.1.2 文献增长规律分析

本文将统计得到的2011—2020年量子通信技术研究论文的累积数据导入SPSS软件中进行曲线拟合，得到的拟合公式为y=433.527 272 727 272 8×x+（－871 721.418 181 818 2），拟合结果如图1所示。由图1可以看出，2011—2020年量子通信技术研究论文数以线性方式稳步增长，根据普赖斯提出的科技文献增长四阶段学说可以推测，全球量子通信技术领域的研究即将到达第三阶段：学科理论日益成熟，论文数目增长放缓，衍变为线性增长，只维持固定的文献增长量[4]。这意味着量子通信技术领域正处于一个发展且趋于成熟的时期。

图1 2011—2020年量子通信技术领域研究论文增长曲线拟合图

2.2 主要国家发文量比较与合作网络

WOS数据库的地区统计显示，共有84个国家发表了与量子通信技术相关的论文。从各国量子通信技术领域的发文量来看，发文量最多的前15位国家（如图2）的发文量之和占全球总发文量的79.20%，其他国家的发文量占比仅为20.80%。其中，中国是2011—2020年10年间全球量子通信技术领域论文发表量排名第一的国家，其发文量占全球发文量的29.8%，可见量子通信领域在中国具有较高的关注度，该领域中国学者有较多突破与进展，其研究成果在数量方面已遥遥领先。

图2 量子通信技术研究发文量TOP15国家比较

由量子通信技术研究论文发表国家的可视化图谱（如图3）可以看出，各个国家之间的合作较为紧密且频繁。总体来看，量子通信技术研究业已得到众多国家的广泛关注。然而，由于综合国力、研究支持力度和人才等多方面的差异，不同国家和地区的量子通信技术研究水平存在差异。同时，越来越多国家正积极投入到量子通信技术的研究当中，这对于推动量子通信技术研究的发展与进步颇有裨益。

图3 量子通信技术研究国家合作网络

2.3 主要研究机构分析

图4展示了量子通信技术领域发文量排名前10的研究机构。其中，中国机构数量最多，共有7家，中国科学院、中国科学技术大学（澳门大学）和北京邮电大学的发文量高居前三。除中国的机构外，还有3家机构分别来自美国、加拿大、俄罗斯。

图4 量子通信技术研究发文量TOP10机构比较

2.4 作者分析

不同学科领域都有相应的领军人物，由于文献具有及时性的特点，文献作者一般也是在该领域有一定研究能力或有一定影响的人，因此，这里通过对作者在该领域的文献发表量进行统计分析，以找出高产和核心作者。

2.4.1 作者分布规律分析

美国统计学家洛特卡经过研究发现科学家的生产能力存在一定规律，并于1926年首先提出了反映作者生产能力的洛特卡定律[5]，即平方反比定律。本研究依据这一原理对量子通信技术领域的研究论文进行分析，并进一步拟合出该研究主题的洛特卡公式。

在洛特卡的计算过程中排除了高产作者，所以本文只统计了发文量小于等于12篇的论文数据（发文量大于12篇的作者数在所有作者中的比例不到0.3%，对结果不会造成影响）[6]。本次研究共统计出9 010位相关作者，表2中列出了发文量小于等于12篇的作者数据。

表2 发文量小于等于12篇的作者分布数据

洛特卡定律的原始表述：在某一时间内，写了x篇论文的作者数占作者总数的比例f(x)与其所撰写的论文数x的平方成反比[7]。公式如下：

f(x)=C/x2

经过人们的归纳与整理，洛特卡定律的广义表达式为f(x)=C/xn，其中C、n为参数。现用最小二乘法计算n值。公式如下：

其中，X=lgX，Y=lgY，N为作者总数（N=9 010）。经过计算可得n=2.227 058 239，与洛特卡的结果基本一致，即基本契合平方反比定律。

再对C值进行计算，公式为：

其中，x取值为[1,∞]，但一般认为x超过20时误差可忽略不计，所以这里取x最大值为20。经计算可得C=1.453 777 12。

所以，量子通信技术领域的洛特卡公式为：

洛特卡定律中常数C象征某学科领域的成熟度，C值越大，表明该领域的研究成熟度越低。量子通信技术研究领域经计算C=1.453 777 12，大于0.6，说明量子通信技术领域还处在发展阶段，但前景较好，也表明虽然中国目前在量子通信技术领域的论文发表量情况较好，但还应继续深入研究，探索量子世界的奥秘。

2.4.2 高产作者分析

根据普赖斯的研究得知，在文献分布领域内，有75%的科学家一生只发表一篇论文[6]。根据表3的统计结果可知，量子通信技术领域发表1篇论文的作者占69.74%，与普赖斯得出的结果相比差距并不大。同时，根据普赖斯平方根定律可以分析得出：在量子通信技术领域现有的9 219位作者中，发文量前96位（即）的作者应为高产作者，占全体作者总数的1.04%，他们的发文量都在21篇以上，由此，Guo Y、Yin ZQ等高产作者产生。

表3 高产作者TOP9分布数据

2.4.3 核心作者合作网络分析

由图5可知，目前量子通信技术领域的论文核心作者已初成体系，存在较为稳定的合作关系，学者之间的交流较为紧密。

图5 量子通信技术核心作者合作网络

2.5 论文被引情况分析

通过从Web of Science数据库下载的引文报告可以得出：4 124篇论文去除自引后的总被引次数为67 839次，施引次数为34 342次，平均被引次数为21.7次，h指数为122。其中，被引次数排名前10的论文中，中国作者发表的论文被引数排名仅第9，一定程度上说明了虽然中国在量子通信技术领域的论文发表数量非常可观，但是在论文的影响力上仍有待提升。同时，如图6所示，近十年量子通信技术领域研究论文被引频次呈稳步增长趋势。

图6 2011—2020年量子通信技术研究论文被引频次

2.6 期刊分析

根据布拉德福定律，将量子通信技术研究论文的期刊量及期刊发文量整理总结得表4。其中，按照布拉德福分散定律，核心期刊论文数∶相关期刊论文数∶边缘期刊论文数=1 ∶1 ∶1，将论文总数4 124除以3，得到各区域平均论文数的理论值为1 375。由此，量子通信技术领域核心区期刊论文数量为1 379篇，相关区期刊论文数量为1 370篇，边缘区期刊论文数量为1 375篇。并且，核心区域（区域1）期刊数为6，相关区域（区域2）期刊数为35，边缘区域（区域3）期刊数为217，即区域1 ∶区域2 ∶区域3=6 ∶35 ∶217≈1 ∶6 ∶62，较符合布拉德福定律，所得的布拉德福系数为6。

表4 布拉德福定律期刊分析

2.7 高频关键词分析

本文运用高频关键词分析法，统计了国内近10年量子通信技术领域的关键词，确定了其中的高频词，进而利用这些高频关键词对量子通信技术领域的研究热点进行分析。

2.7.1 关键词的确定和筛选

运用NoteExpress软件的文件夹功能，共统计出4 634个关键词。为了使选取的关键词能反映量子通信技术领域的研究热点，且数量适中，本文选取了词频不小于16次的关键词加入词表，并将部分同义词进行整合。最后，共收录了49个关键词计入词表中，如表5。

表5 2011—2020年量子通信技术研究论文高频关键词词表

2.7.2 高频关键词的年度分布统计及分析

通过对量子通信技术领域近10年的论文关键词词频进行统计，不难发现当前量子通信技术领域的前沿技术研究方向主要集中在量子密钥分发与量子保密通信这两大课题上。量子密钥分发是指利用量子力学特性来保证通信安全性，使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥来加密和解密消息[8]。目前有关量子通信的研究主要集中在其通信时的保密技术上。而量子纠缠与量子隐形传态是解释量子密钥分配与量子保密通信的两大核心基础概念[9]，因此其在总词频出现率中仅次于量子密钥分配与量子保密通信。

此外，关键词当中还出现了一个人名——“潘建伟”，潘建伟是目前我国在量子通信技术领域的领军人物。2016年8月，中国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”首次实现了卫星和地面之间的量子通信，这是史上最安全且跨度最大的通信网络，而这个项目的首席科学家正是潘建伟[10]。“潘建伟”这个名字是国内与量子通信保密性研究绑定得最为紧密的名字，因此其在量子通信技术领域的论文关键词中也出现了89次之多。

2.7.3 关键词共现与聚类分析

将Web of Science数据库中量子通信技术研究论文有关数据导入VOSviewer可视化软件中，绘制出量子通信技术领域的关键词共现与聚类图，以便更直观地揭示此领域的研究热点。

如图7所示，节点的大小表示度数中心度，根据中心度的定义不难看出世界量子通信技术领域中quantum key distribution（量子秘钥分发）、cryptography（量子密码）、security（量子保密通信）等技术处于领域的中心，也是该领域的研究热点。图中各节点之间连线的粗细则代表了各研究方向之间关联的紧密程度，反映出量子通信技术领域研究方向较集中，各研究热点之间联系紧密。

图7 量子通信技术关键词共现与聚类

3 结语

本文通过对近10年来国际量子通信技术领域研究论文的计量分析，具体描述了目前量子通信技术领域的核心期刊、高产作者、核心作者、研究热点等。利用布拉德福定律和洛特卡定律，验证了期刊和作者的分布规律。同时，利用高频关键词共现与聚类分析揭示了量子通信技术研究热点和重点。从论文发文量、研究机构、国家地区、作者、被引情况、核心期刊以及高频关键词等方面进行了全面总结，研究结果如下：

（1）增长性。主要表现在2011—2020年10年间量子通信技术领域的发文量稳步增长，前景光明，正处于蓬勃发展时期。

（2）合作性。从VOSviewer可视化结果来看，各国家、各研究机构、各研究人员之间合作紧密，呈网络形态，说明该研究方向得到了全球普遍的关注和重视。其中，中国、美国、德国、英国等展现出较强的国际合作能力。

（3）集中性。中国是量子通信技术研究发文量最多的国家，以29.8%的份额位列第一，居世界量子通信技术领域的第一梯队。目前，在全球量子通信技术发展中，中国和美国表现出了较强的优势，而其他国家仍存在一定的差距，体现出了明显的集中特性。

（4）规律性。量子通信技术领域的研究论文在发文量、作者分布和期刊分布方面基本遵循普赖斯增长规律、洛特卡规律和布拉德福规律。其中洛特卡公式为f(x)=1.453 777 12/x2.227058239。

（5）发展性。通过对高频关键词的共现聚类分析，得出量子通信技术研究热点主要涉及量子密钥分发、量子保密通信、量子隐形传态、量子纠缠、量子密码等，研究核心呈现出越来越丰富的趋势。