基于文献计量的量子计算研究国际发展态势分析 ☆

田倩飞; 王立娜; 唐川; 张娟; 徐婧

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.201906001

科学观察 ›› 2019, Vol. 14 ›› Issue (6) :1-9 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.201906001

研究论文

基于文献计量的量子计算研究国际发展态势分析 ^☆

田倩飞 ¹^,² ,
王立娜 ¹ ,
唐川 ¹^,²^,^* ,
张娟 ¹ ,
徐婧 ¹^,²

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International Development Trend of Quantum Computing Research Based on Bibliometric Analysis

Tian Qianfei ¹^,² ,
Wang Lina ¹ ,
Tang Chuan ¹^,²^,^* ,
Zhang Juan ¹ ,
Xu Jing ¹^,²

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摘要

作为一项重要的颠覆性技术,量子计算的概念最早是1982年由美国物理学家费曼提出,其高速并行运算的计算模式或将引发一场信息技术新革命。在新一轮信息科技革命和产业革命的背景下,量子计算已成为世界各国抢占经济、军事、安全、科研等领域全方位优势的一个战略制高点。为把握量子计算研究国际发展态势,本文以科睿唯安公司Web of Science平台的核心合集数据库为文献数据来源,利用科睿唯安公司的德温特数据分析工具（Derwent Data Analyzer,DDA）进行论文数据的清洗、数据挖掘以及可视化分析,并使用VOSviewer软件分析了主要国家、研究机构之间的合作网络情况以及关键词共现聚类。

Abstract

As an important disruptive technology, the concept of quantum computing was first proposed by American physicist Feynman in 1982, and its computational mode of high-speed parallel computing may trigger a new revolution in information technology. Under the new generation of information technology revolution and industrial revolution, quantum computing has become a strategic commanding height for all countries in the world to seize holistic advantages in the fields of economy, military, security and scientific research. In order to grasp the international development trend of quantum computing research, this paper takes the core database of the Web of Science platform of Clarivate Analytics as literature data source, uses the Derwent Data Analyzer of Clarivate Analyticsto perform the data cleaning, data mining and visual analysis of the literature, and uses VOSviewer software to analyze the network of cooperation between major countries and research institutions, as well as the co-clustering of keywords.

Graphical abstract

关键词

量子计算 / 文献计量 / 发展态势

Key words

quantum computing / bibliometric analysis / development trend

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田倩飞, 王立娜, 唐川, 张娟, 徐婧. 基于文献计量的量子计算研究国际发展态势分析 ^☆[J]. 科学观察, 2019, 14(6): 1-9 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.201906001

Tian Qianfei, Wang Lina, Tang Chuan, Zhang Juan, Xu Jing. International Development Trend of Quantum Computing Research Based on Bibliometric Analysis[J]. Science Focus, 2019, 14(6): 1-9 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.201906001

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1 引言

量子计算是一种遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的新型计算,可分为计算模式研究、硬件研究、软件和算法研究等几个领域。与传统计算机相比,量子计算机具有天然的量子并行计算能力,存储能力强,运算速度快,将带来现有计算能力质的飞跃。量子计算可快速破译现有密码体系,对现有的以数学为基础的密钥体系形成整体颠覆,从而掌握信息主动权;对海量情报数据进行实时分析处理,进一步提升形式评估与决策能力;有效解决高性能、大数据计算问题,加快复杂武器系统的设计和试验进程,有效提升武器装备的研发效率;为气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案;揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制,为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础。在新一轮信息科技革命和产业革命的背景下,量子计算已成为世界各国抢占经济、军事、安全、科研等领域全方位优势的一个战略制高点。

近年来,全球多国加快量子信息技术研究与应用布局,竞争态势日益明显。美国已全面部署“第二次量子革命”争夺战。美国总统特朗普于2018年12月正式签署《国家量子法案》,全方位加速量子科技的研发与应用,开启量子领域的“登月计划”,力图确保美国在“第二次量子革命”中取得全球领导地位^[1]。根据法案,美将制定量子科技长期发展战略,实施为期10年的“国家量子计划”。政府未来5年内将斥资12.75亿美元开展量子信息科技攻关。此外,美将成立国家量子协调办公室,协调政府机构、学术和产业界,形成发展合力。

欧盟正式启动量子技术旗舰计划。欧盟在2018年10月正式启动总经费达10亿欧元的量子技术旗舰计划^[2],其长期愿景是在欧洲建设一个量子互联网,通过量子通信网络连接起所有的量子计算机、模拟器与传感器。该旗舰计划分为5个主要的研究领域开展：量子通信、量子计算、量子模拟、量子精密测量和传感、基础科学。

量子计算研发进展迅速、竞争持续加剧。2018年1月,Intel公司宣布利用硅技术研制出49量子比特的超导量子芯片;同月,IBM对外展示其50量子比特的原型机。2月,中国科学院/中国科学技术大学团队发布11量子比特超导量子计算的云平台。3月,谷歌展示了一款72量子比特的量子芯片。2019年1月,IBM又发布了面向商业用户的20量子比特云平台。7月,来自澳大利亚新南威尔士大学物理学院量子计算与通信技术卓越中心的米歇尔•西蒙斯教授及其研究团队创建出首个硅中双原子量子比特门,运算操作在0.8纳秒内完成,比目前其他基于自旋的双量子比特门快200倍,成为构建原子级量子计算机的一个重要里程碑。

2018年5月16日,波士顿咨询公司（BCG）发布题为《即将来临的量子计算飞跃》^[3]的报告,对量子计算技术的发展现状与潜在应用进行了分析。报告预测,量子计算在接下来的25年内还将经历三个阶段的发展才能最终走向技术成熟。第一个阶段是2018–2028年,工程师们研发出可用于低复杂程度的量子模拟问题的非通用量子计算机;第二个阶段是2028–2039年,逻辑量子比特数量将扩展到50多个,并实现“量子霸权”;第三个阶段是2031–2042年,量子计算机将在模拟、搜索和运算中执行高级功能,实现各类商业应用的最终落地。BCG预计,到2030年,量子计算的应用市场规模可达500多亿美元,其中,制药行业的规模将达200亿美元,化学、材料科学等科技密集型产业的规模将达70亿美元。2018年12月4日,美国国家科学、工程与医学院发布题为《量子计算：发展与前景》^[4]的研究报告。报告指出,量子计算发展至今,已引发人们极大的研究兴趣,也展现出一定的商业价值,但其将来的发展速度、方向和实际应用还有待观察。

2 数据来源和方法

为剖析量子计算的学术研究动态和国际竞争格局,为我国量子计算发展战略的制定提供参考依据,本部分以科睿唯安公司Web of Science平台的核心合集数据库为文献数据来源,借鉴qurope.eu网站（QUROPE,2019）对量子计算的定义,制定文献检索策略^[5],限定发文时间为2005至2019年、文献类型为“论文（Article）”,检索日期为2019年5月21日。针对检索结果,利用科睿唯安公司的德温特数据分析工具（Derwent Data Analyzer,DDA）进行论文数据的清洗、数据挖掘以及可视化分析,并使用VOSviewer软件分析了主要国家、研究机构之间的合作网络情况以及关键词共现聚类。

3 结果与分析

3.1 发文量年度变化趋势

2005至2019年间,全球共发表量子计算相关论文17 221篇。从图1来看,2005至2009年,全球量子计算发文量总体保持增长趋势,尤其2009年增幅明显,全球发文量突破1 000篇。到2010年发文量略有下降,但随后又呈现稳定的增长趋势,且近三年的年发文量均突破1 500篇。

3.2 主要国家/地区发文量比较与合作网络

从各国量子计算研究发文量来看,发文量最多的前20位（TOP20）国家（图2）的发文量之和占全球总发文量的89.36%,其他国家的发文量占比仅为10.64%。

图3给出了2005–2018年量子计算TOP20国家的年发文情况。可以看出,2005年美国的量子计算研究发文量居全球第一,远远超过中国、德国、英国、日本、加拿大等国。此后,中国的量子计算发文量增长迅猛,并在2014年超越美国,从发文量来看中国已与美国共居全球量子计算研究的第一梯队。

但从发文量TOP10国家的论文篇均被引频次来看,中国与美国、德国、澳大利亚、加拿大、英国、法国等仍存在较大差距,中国论文的影响力还有待进一步提升,如表1所示。美国的篇均被引频次高达36.32,在TOP10国家中遥遥领先。第二梯队则包括德国、澳大利亚、加拿大、英国、法国等5个国家,篇均被引频次大于20。第三梯队的篇均被引频次位于10~20之间,包括日本、意大利和中国。印度的篇均被引频次排名TOP10发文国家末位。

图4给出了量子计算发文量超过80篇的35个国家/地区之间的合作网络。美国、德国、英国、中国等展现出较强的国际合作能力,美国与其他34个国家/地区均有合作,总连接强度达6 658;德国与除埃及外的33个国家/地区均有合作,总连接强度4 280;英国与其他34个国家/地区均有合作,总连接强度3 538;中国与除阿根廷外的33个国家/地区均有合作,总连接强度为3 168。

3.3 主要研究机构发文比较与合作网络

图5展示了量子计算领域发文量TOP20的研究机构。其中,中国机构3家,分别是发文量高居第1、第2的中国科学院、中国科学技术大学,以及位列第10的清华大学。TOP20机构中,美国机构数量最多,共7家,包括：马里兰大学、麻省理工学院、哈佛大学、美国国家标准与技术研究院、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校以及密歇根大学。其他机构则来自德国、加拿大、新加坡、意大利、英国、奥地利、澳大利亚、日本等诸多国家,量子计算研究展现出强烈的全球竞争态势。

图6展示了量子计算领域发文量TOP40的研究机构的合作网络图。中国科学院、中国科学技术大学、清华大学及南京大学彼此间的合作较为紧密,并与国外学术机构建立了较广泛的合作关系,分别与33家、29家、29家和19家机构有合作。

3.4 学科方向分布

图7展示了量子计算研究论文产出数量TOP10的学科方向,分别是物理、光学、计算机科学、科学与技术-其他主题、材料科学、化学、工程、数学、电信、天文学和天体物理学。

3.5 高频关键词分析

基于对论文关键词的词频统计,表2展现了量子计算研究的高频关键词分布情况,其中词频不低于50的关键词共28个,除“量子计算”外,其他关键词还包括：量子纠缠、量子算法、量子门等。

量子计算论文里词频不低于40的关键词有40个,在关键词共现网络的基础上,利用VOSviewer软件可视化展现了这40个关键词的聚类情况（图8）。量子计算研究主要涉及：（1）量子算法、计算复杂度与量子优化;（2）量子信息、量子模拟与量子控制;（3）量子门、几何相位与集群状态;（4）量子点、量子位与约瑟夫森结;（5）量子通信、量子加密与量子光学;（6）量子纠错与容错等。

图9展现了量子计算TOP20发文机构与TOP20关键词的矩阵图谱,各研究机构的核心关键词除聚焦于“量子计算”外,还各有侧重。如中国科学院与中国科学技术大学较为关注“量子纠缠”、“量子算法”和“量子模拟”等;马普学会聚焦于“量子模拟”;加拿大滑铁卢大学重在“量子算法”和“量子纠错”的研究;麻省理工大学也重点关注“量子纠错”;意大利国家研究中心关注“量子点”和“量子比特”;清华大学重点关注“量子纠缠”和“量子门”;哈佛大学聚焦“量子模拟”研究;加州理工学院重点关注“量子纠错”。

4 结语

本文通过简要概述美国和欧洲等在量子计算领域的研发计划与发展策略,重点对该领域研究论文开展了定量分析,总结量子计算研究国际发展态势如下。

（1）2005–2019年间,美国是量子计算研究发文量最多的国家,以21.25%的份额位列第一位。紧随其后的是中国,发文量占比高达18.99%,与美国共居全球量子计算研究的第一梯队。但从发文量TOP10国家的论文篇均被引频次来看,中国与美国、德国、澳大利亚、加拿大、英国、法国等仍存在较大差距,中国量子计算论文的影响力有待进一步增强。研究合作方面,美国、德国、英国、中国等展现出较强的国际合作能力。

（2）在发文量TOP20研究机构中,美国占比最高,包括马里兰大学、麻省理工学院、哈佛大学、美国国家标准与技术研究院、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、密歇根大学7家机构;中国有3家研究机构入榜,分别为中国科学院、中国科学技术大学和清华大学;其他机构则来自德国、加拿大、新加坡、意大利、英国、奥地利、澳大利亚、日本等诸多国家。量子计算研究展现出强烈的全球竞争态势。

（3）基于高频关键词的共现聚类分析,量子计算研究主要涉及（i）量子算法、计算复杂度与量子优化;（ii）量子信息、量子模拟与量子控制;（iii）量子门、几何相位与集群状态;（iv）量子点、量子位与约瑟夫森结;（v）量子通信、量子加密与量子光学;（vi）量子纠错与容错等。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	胡定坤 . 特朗普签署国家量子法案斥巨资开启量子“登月计划”[EB/OL]. 2019-1-2].

[2]	张娟 . 欧盟正式启动量子技术旗舰计划[EB/OL]. 2018- 11- 21, 2018-12-20].

[3]	Russo M, Thaker A, Adam S . The coming quantum leap in computing[EB/OL]. 2018-6-22].

[4]	利剑 . 美国家科学、工程与医学院发布《量子计算:发展与前景》报告[EB/OL]. 2018-12-27].

[5]	张志强, 陈云伟, 陶诚 , 等. 基于文献计量的量子信息研究国际竞争态势分析[J]. 世界科技研究与发展, 2018,40(01):37-49.