量子信息领域为何发展迅猛？近三十年合作网络画像揭示学科变迁

原创 刘培源 集智俱乐部

导语

量子信息领域作为融合了量子物理、计算机、信息论等多个学科的前沿交叉领域，三十年来发展迅猛。在一篇arXiv预印本论文中，研究者针对量子信息领域的数万名研究者构建了合作网络，挖掘出其小世界、高聚集等特征，并且多人科研合作正逐渐成为量子信息领域的主流。

研究领域：科学学，量子信息，网络科学

刘培源 | 作者

邓一雪 | 编辑

论文题目：

A portrait of the collaboration network in quantum information

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2112.03403

量子信息是位于物理学、计算机科学和信息论等学科交叉处的跨学科领域。自20世纪80年代以来，量子信息领域获得了长足的进步，量子模拟、量子计算、量子传感器、量子通信和密码学等一系列方向蓬勃发展。量子信息科学社区已有近三十年的历史，其中多数科学家自arXiv预印本网站成立以来就在此积极发布作品，这为网络科学提供了理想的研究案例。

最近的一项研究中，作者使用arXiv中量子物理（quant-ph）分类下1994-2020年底的论文数据，来研究量子信息领域的发展与合作。quant-ph分类数据表明，量子信息领域具有显著的跨学科特征，与之重叠最大的研究领域是凝聚态物理，还包括密码学与安全、计算物理学、核理论与机器学习等。

图1. arXiv数据中与量子领域交叉最多的10个领域。a中是以某个领域为主要类别，以量子领域为次要类别的论文。b中是以量子为主要类别且与其他领域交叉。

量化研究发现，量子信息在过去25年中吸引了越多越多研究者的兴趣，论文持续增多。1995年，Peter Shor 发表其里程碑著作的当年，量子信息领域还仅有300名作者，但到2020年底，该领域的研究人员已经超过48000人，这一过程可以用指数增长拟合。1994年论文仅有12篇，1995年就增长到335篇，到2020年该领域当年新论文发布数量达到了6309。从合作者数量来看，最开始大部分文章都还是单一作者，但多人合作的文章逐渐增加，尤其是5人及以上合作者的。

这意味着，随着量子信息作为研究领域的确立，研究人员之间的合作变得更加普遍，而不是继续孤立工作。随着该领域发展，每篇论文的作者数量，已经从大多数单一作者，变成了涉及至少5位作者，这清楚表明量子信息已经是一个成熟的跨学科研究领域，合作伙伴关系在其中极其重要。

图2. 文章数量、作者、单篇论文作者与作者生产力的量化分析

该研究基于quant-ph数据库构建了合作网络，发现合作网络具有小世界、高聚集等特性。通过分析一些量的时序演变，作者证明量子信息网络具备小世界属性，网络中两个节点间的平均最短路径与网络规模成标度为4.73的对数关系（截至2020年）。而网络直径，即最大最短路径，则波动很大，并随着时间呈现明显下降趋势，到2020年为18。量子信息领域研究人员，平均累计有11.68位合作者。而网络的聚类系数很高，到2020年增加到了0.646，这代表学者间合作程度处于较高水平。网络的多样性也随着时间推移而波动，但始终大于0.1，这意味着量子信息研究人员倾向于与其他具有相似程度联系的研究者合作。网络中巨型团簇的规模也随着时间推移增加，到2020年已经超过87%，这意味着quant-ph是一个高度互联的网络。

图3. 以Artur K. Ekert和Peter W. Shor为例构建的合作网络

关于合作网络的统计属性，作者发现，大多数研究人员几乎没有连接，而少数科学家充当了网络的枢纽节点。该研究分析了这种合作网络的鲁棒性，结果表明，在针对性攻击（按顺序删除连接数量最多的节点）下，删除18.9%就足以破坏网络。

在这篇论文中，作者为快速发展并且与其他多学科高频交叉的量子信息领域，构建动态画像，分析其研究人员之间合作网络的统计特征，发现了量子信息合作网络的小世界特性。未来，基于更丰富的数据库，如web of science等，还有望对量子信息领域研究者的流动性问题，量子信息不同子领域区分及其相互关系问题等，做进一步研究。

原标题：《量子信息领域为何发展迅猛？近三十年合作网络画像揭示学科变迁》

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