量子信息技術領域 5 萬篇論文全景分析_風聞

2019-12-29 13:34 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

Leo 集智俱樂部導語作為量子物理與信息技術的結合，近年來不斷突破的量子信息技術正在開啓新的機遇之門。最近發佈在arxiv.org上的一篇預印本論文中，來自 Middle East Technical University 的 Zeki C. Seskir 和 Arsev U. Aydinoglu 收集了超過 5 萬篇相關的期刊文章，對量子信息技術這一領域進行了梳理。論文題目：The Landscape of Academic Literature in Quantum Information Technologies論文地址：https://arxiv.org/abs/1910.06969量子信息研究文獻的暴漲量子信息技術（ Quantum Information Technologies，QIT）是一項備受關注的領域。自2018年來，歐盟和美國在這一領域中投入了10億歐元。在加上包括中國在內的諸多國家的關注與投入，量子信息技術已經成為了廣受眾多國家關注的領域。雖然這些投入都是近十年間的事情，但是“把量子技術應用於新領域”這一想法卻已有60年的歷史了。現在的人們已經意識到了一個事實：信息時代的基石，晶體管和激光技術將達到物理極限（1-5nm），也就是説摩爾定律不可能永遠有效。因此，在2003年， Dowling與Milburn首次提出“第二次量子革命”（the second quantum revolution）一詞。以歷史的眼光來看，量子信息技術已經進入蓬勃發展的階段：在工業界，2019年9月Google公司就聲稱其已經實現了量子霸權（Quantum Supremacy）；國內外的眾多科技巨頭也都展開了研發第一台量子計算機的競爭。25 年來，在學術界在這一領域發表的論文數量已經增長了50倍。圖1：每年量子信息技術領域新增論文量面對這樣迅猛的增長，來自 Middle East Technical University 的 Zeki C. Seskir 和 Arsev U. Aydinoglu 二人對這一領域的文獻進行了梳理，並給出了他們的分析簡介。研究數據為了確定要涵蓋的研究資料範圍，兩位研究者利用與量子信息技術相關的關鍵詞，收集篇文獻，並結合五位領域內的專家給出的建議，構建出了關鍵詞映射和突增分析模型。截止2019 年 6月研究者共查詢到 50822 篇與量子信息技術相關的論文（不包含程序等其他內容），在篩查掉撤回、零引用、零被引論文後，共有 42,530 篇文章。研究者還特地獲取了從 1999-2018 年間的 808 篇高被引文章，平均每篇被引 234.59 次。研究論文全景分析在進行初步的數據分析後，研究者認為： 量子信息技術根植於物理學領域，同時又橫跨了 物理、光學、機械、化學、電子、信息、材料和計算科學等眾多學科。按照研究者所做的論文所屬研究領域分類排行表（原論文表 2）給出的數據，物理學和光學分別以78.387%和30.001%的比例（總數是50822，下同）牢牢佔據榜單的頭部；計算科學、工程、化學、數學等領域也有較多關聯；此外，也涵蓋了天文、通信、科學哲學史、生命科學等眾多領域。（因諸多研究橫跨數個領域，所有比例相加超過100%）也正因這一特點，Web of Science把量子科學與技術（ Quantum, Science and Technology）這一領域分類闡釋為“無法用經典物理學理論來解釋的波、粒子的複雜相互作用，以及物質的狀態”。（原論文表 3）如果從論文發表期刊的角度來分析，在總共的495種刊物中，研究者統計出了發表論文數量排位前99名的期刊包含了42800篇論文，其中前20名期刊包含了佔比58.574%的 29769 篇文章。符合“重頭長尾”的冪率法則特徵。結合前人研究的結論：成熟的研究領域論文發表數量和期刊數量之間遵循冪率法則，新領域則不然。因此，研究者認為：量子信息技術領域的學術研究文獻已經非常的成熟穩定。（原論文表 4）若以國家來做比較，中、美、德、英、日、加等國均在這一領域做出了很多成果。研究者還特別指出了一點，雖然美國有8個研究機構排名進入了前二十，但只有一個機構列入前十。這是因為與別的國家採取“集中力量辦大事”或者多國合作的方法不同，美國的研究機構相對分散。（原論文表 5）關鍵詞關係圖研究者從篩選過的 42530 篇文章的題目與摘要中，篩選出了出現次數 200 次的關鍵詞，並按照其關聯繪製成圖。圖2：關鍵詞詞雲如上圖所示，這個關係圖呈現出了三個主要的聚簇，紅色表示物理實現，藍色表示量子密碼學和通信技術、綠色則表示量子計算和量子信息學。值得注意的一點是， 量子失諧（Quantum discord）、併發度（concurrence）、相對熵（relative entropy）和糾纏度量（entanglement measure）等關鍵詞位於詞雲的邊緣，和量子計算和量子信息學關係比較緊密，和其他主題的關係較弱。研究者給出的一個解釋是，因為這個詞雲來自去除了零引用和零被引的論文。如果使用全部的50822篇論文繪製詞雲，所呈現的雲圖如下所示。圖3：關鍵詞詞雲 2.0由此，我們發現了一個新的聚簇，這個聚簇中主要包含着糾纏、量子關聯（Quantum correlation）、主方程（master equation）、量子失諧、相變等關鍵詞。這表明新增聚簇是一個以理論研究為主的方向。這一聚簇的出現也對應着人們對該領域所投入的關注。這幾個關鍵詞的出現也符合研究者所搭建的突增分析模型——一個通過詞頻變化分析研究主題的模型。這些研究主題在2009年前後成為了新的焦點。圖4：關鍵詞詞頻分析。圖中每一個黑色條都表示一個關鍵詞，高度表示關鍵詞跨越的領域，長度表示流行的時間。高被引文章分析除了對全部論文加以分析調查外，研究者繪製了88篇高被引文章的共同引用關係圖，如下所示：圖5：共同引用關係圖，每個圓點表示一篇文章，連邊則表示彼此之間有共同的引用。由上圖我們可以看出，按照前文給出的四種分類， 任意子以及拓撲量子計算有關的文章（藍色）和量子失諧以及量子糾纏有關的文章（黃色）各佔一端。而另外的量子計算、量子信息論等主題下的論文位於網絡的中間。如果也以網絡的視角來看待國家間合作的關係，我們能看到下圖：圖6：國家合作關係圖如圖所示， 在這個網絡上，美、英、中、加等國均位於網絡的核心地位，對該領域的投入和產出都很大。而位於網絡邊緣的國家則在該領域的投入減少，產出也較低。如果進一步的提高數據的分辨率，按照具體的研究機構來繪製合作關係圖，我們又能夠看到更多的細節。圖7：研究機構合作關係圖我們能夠很明顯地看到一個現象：在研究機構這個網絡分析的層級上，美國的研究機構牢牢的佔據着網絡的核心位置，不僅研究的領域各異（圖中的不同顏色）且和其他國家的其他研究機構也有着廣泛的合作。而中國的研究機構卻處於網絡的邊緣地位，且研究成果比較單一。如果把上圖和原論文的表5以及國家合作關係圖加以對比，我們也能夠看到我國在量子信息技術領域的發展方向和潛力。總結研究者通過文獻計量的手段和網絡可視化工具，分析了量子信息技術這一蓬勃發展的領域的科研產出。可以明確的是，量子信息技術紮根於物理學；憑藉20世紀90年代至2010年興起的量子計算得以發展。進而，又誕生出了許多新課題、子領域。第二次量子革命已經發展為了一個成熟穩定的科學技術領域。在未來也需要有更多的從學術、商業等角度來分析該領域的報告。通過對這一領域研究成果的全面檢索，以及業內專家的審查。可以分析出國家、研究機構的研究側重以及合作模式，進而可以給出政策性的建議。作者：Leo審校：劉金國編輯：張爽原標題：《跨越物理、信息、計算——量子信息技術領域 5 萬篇論文全景分析》閲讀原文