跨越物理、信息、计算——量子信息技术领域 5 万篇论文全景分析

原创： Leo 集智俱乐部

导语

作为量子物理与信息技术的结合，近年来不断突破的量子信息技术正在开启新的机遇之门。最近发布在arxiv.org上的一篇预印本论文中，来自 Middle East Technical University 的 Zeki C. Seskir 和 Arsev U. Aydinoglu 收集了超过 5 万篇相关的期刊文章，对量子信息技术这一领域进行了梳理。

论文题目：

The Landscape of Academic Literature in Quantum Information Technologies

论文地址：

https://arxiv.org/abs/1910.06969

量子信息研究文献的暴涨

量子信息技术（ Quantum Information Technologies，QIT）是一项备受关注的领域。自2018年来，欧盟和美国在这一领域中投入了10亿欧元。在加上包括中国在内的诸多国家的关注与投入，量子信息技术已经成为了广受众多国家关注的领域。虽然这些投入都是近十年间的事情，但是“把量子技术应用于新领域”这一想法却已有60年的历史了。

现在的人们已经意识到了一个事实：信息时代的基石，晶体管和激光技术将达到物理极限（1-5nm），也就是说摩尔定律不可能永远有效。因此，在2003年， Dowling与Milburn首次提出“第二次量子革命”（the second quantum revolution）一词。

以历史的眼光来看，量子信息技术已经进入蓬勃发展的阶段：在工业界，2019年9月Google公司就声称其已经实现了量子霸权（Quantum Supremacy）；国内外的众多科技巨头也都展开了研发第一台量子计算机的竞争。25 年来，在学术界在这一领域发表的论文数量已经增长了50倍。

图1：每年量子信息技术领域新增论文量

面对这样迅猛的增长，来自 Middle East Technical University 的 Zeki C. Seskir 和 Arsev U. Aydinoglu 二人对这一领域的文献进行了梳理，并给出了他们的分析简介。

研究数据

为了确定要涵盖的研究资料范围，两位研究者利用与量子信息技术相关的关键词，收集篇文献，并结合五位领域内的专家给出的建议，构建出了关键词映射和突增分析模型。

截止2019 年 6月研究者共查询到 50822 篇与量子信息技术相关的论文（不包含程序等其他内容），在筛查掉撤回、零引用、零被引论文后，共有 42,530 篇文章。研究者还特地获取了从 1999-2018 年间的 808 篇高被引文章，平均每篇被引 234.59 次。

研究论文全景分析

在进行初步的数据分析后，研究者认为： 量子信息技术根植于物理学领域，同时又横跨了 物理、光学、机械、化学、电子、信息、材料和计算科学等众多学科。

按照研究者所做的论文所属研究领域分类排行表（原论文表 2）给出的数据，物理学和光学分别以78.387%和30.001%的比例（总数是50822，下同）牢牢占据榜单的头部；计算科学、工程、化学、数学等领域也有较多关联；此外，也涵盖了天文、通信、科学哲学史、生命科学等众多领域。（因诸多研究横跨数个领域，所有比例相加超过100%）

也正因这一特点，Web of Science把量子科学与技术（ Quantum, Science and Technology）这一领域分类阐释为“无法用经典物理学理论来解释的波、粒子的复杂相互作用，以及物质的状态”。（原论文表 3）

如果从论文发表期刊的角度来分析，在总共的495种刊物中，研究者统计出了发表论文数量排位前99名的期刊包含了42800篇论文，其中前20名期刊包含了占比58.574%的 29769 篇文章。符合“重头长尾”的幂率法则特征。结合前人研究的结论：成熟的研究领域论文发表数量和期刊数量之间遵循幂率法则，新领域则不然。因此，研究者认为：量子信息技术领域的学术研究文献已经非常的成熟稳定。（原论文表 4）

若以国家来做比较，中、美、德、英、日、加等国均在这一领域做出了很多成果。研究者还特别指出了一点，虽然美国有8个研究机构排名进入了前二十，但只有一个机构列入前十。这是因为与别的国家采取“集中力量办大事”或者多国合作的方法不同，美国的研究机构相对分散。（原论文表 5）

关键词关系图

研究者从筛选过的 42530 篇文章的题目与摘要中，筛选出了出现次数 200 次的关键词，并按照其关联绘制成图。

图2：关键词词云

如上图所示，这个关系图呈现出了三个主要的聚簇，红色表示物理实现，蓝色表示量子密码学和通信技术、绿色则表示量子计算和量子信息学。

值得注意的一点是， 量子失谐（Quantum discord）、并发度（concurrence）、相对熵（relative entropy）和纠缠度量（entanglement measure）等关键词位于词云的边缘，和量子计算和量子信息学关系比较紧密，和其他主题的关系较弱。研究者给出的一个解释是，因为这个词云来自去除了零引用和零被引的论文。如果使用全部的50822篇论文绘制词云，所呈现的云图如下所示。

图3：关键词词云 2.0

由此，我们发现了一个新的聚簇，这个聚簇中主要包含着纠缠、量子关联（Quantum correlation）、主方程（master equation）、量子失谐、相变等关键词。这表明新增聚簇是一个以理论研究为主的方向。这一聚簇的出现也对应着人们对该领域所投入的关注。

这几个关键词的出现也符合研究者所搭建的突增分析模型——一个通过词频变化分析研究主题的模型。这些研究主题在2009年前后成为了新的焦点。

图4：关键词词频分析。图中每一个黑色条都表示一个关键词，高度表示关键词跨越的领域，长度表示流行的时间。

高被引文章分析

除了对全部论文加以分析调查外，研究者绘制了88篇高被引文章的共同引用关系图，如下所示：

图5：共同引用关系图，每个圆点表示一篇文章，连边则表示彼此之间有共同的引用。

由上图我们可以看出，按照前文给出的四种分类， 任意子以及拓扑量子计算有关的文章（蓝色）和量子失谐以及量子纠缠有关的文章（黄色）各占一端。而另外的量子计算、量子信息论等主题下的论文位于网络的中间。

如果也以网络的视角来看待国家间合作的关系，我们能看到下图：

图6：国家合作关系图

如图所示， 在这个网络上，美、英、中、加等国均位于网络的核心地位，对该领域的投入和产出都很大。而位于网络边缘的国家则在该领域的投入减少，产出也较低。

如果进一步的提高数据的分辨率，按照具体的研究机构来绘制合作关系图，我们又能够看到更多的细节。

图7：研究机构合作关系图

我们能够很明显地看到一个现象：在研究机构这个网络分析的层级上，美国的研究机构牢牢的占据着网络的核心位置，不仅研究的领域各异（图中的不同颜色）且和其他国家的其他研究机构也有着广泛的合作。而中国的研究机构却处于网络的边缘地位，且研究成果比较单一。如果把上图和原论文的表5以及国家合作关系图加以对比，我们也能够看到我国在量子信息技术领域的发展方向和潜力。

总结

研究者通过文献计量的手段和网络可视化工具，分析了量子信息技术这一蓬勃发展的领域的科研产出。可以明确的是，量子信息技术扎根于物理学；凭借20世纪90年代至2010年兴起的量子计算得以发展。进而，又诞生出了许多新课题、子领域。

第二次量子革命已经发展为了一个成熟稳定的科学技术领域。在未来也需要有更多的从学术、商业等角度来分析该领域的报告。通过对这一领域研究成果的全面检索，以及业内专家的审查。可以分析出国家、研究机构的研究侧重以及合作模式，进而可以给出政策性的建议。

作者：Leo

审校：刘金国

编辑：张爽

原标题：《跨越物理、信息、计算——量子信息技术领域 5 万篇论文全景分析》

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