基於文獻計量的量子信息研究國際競爭態勢分析

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張志強, 陳雲偉, 徐婧, 田倩飛. 基於文獻計量的量子信息研究國際競爭態勢分析[J].世界科技研究與發展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2018.03.001.

張志強, 陳雲偉, 徐婧, 田倩飛（中國科學院成都文獻情報中心）

摘要：為揭示量子信息領域的國際研發競爭態勢，利用文獻計量學方法，採用高被引科學家佔比、研究團隊學科專業背景多樣性、年齡結構等指標，從全球量子信息科研競爭態勢和4個領先科研單元的比較兩個角度開展研究。結果表明，全球量子信息研究在20世紀90年代開始步入快速發展期，美國和中國的科研產出優勢顯著，中國科學院的論文產出在全球所有科研機構中處於領先地位。4個科研單元各具優勢：中科院量子卓越中心的論文總體影響力水平、高被引科學家佔比、學科專業背景多樣性等均低於麻省理工學院極限量子信息理論中心和牛津大學量子計算中心；但是其處於可以做出重大知識創新發現的最佳年齡段的青年科學家佔比最高，競爭潛力優勢明顯，且其科研範式以集團軍式的聯合研究為主，更利於發揮團隊優勢，攻關科研項目。最後，本文提出了加強學科交叉研究、加強基礎理論研究、加強人才建設等方面的建議。

關鍵詞：量子信息；量子通信；量子計算；文獻計量；競爭態勢

doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2018.03.001

1 引言

量子信息是由物理科學與信息科學等多個學科交叉融合而形成的一門新興前沿學科，是以量子力學基本原理為基礎，對量子系統「狀態」所帶有的物理信息進行計算、編碼和信息傳輸的全新信息方式，主要包括「量子通信」、「量子計算」和「量子精密測量」三大方向，有望在運算速度、信息安全、信道容量等方面突破傳統信息系統的極限，具備重大的科學價值和巨大的應用前景。量子信息技術的研究與應用正是當前和未來的重大突破性領域之一，世界科技先進國家無不高度重視量子信息研發，投入巨資以期搶佔量子信息科技制高點。據英國政府2016年底發布的《量子時代的技術機遇》報告，全球有六大國家/地區對量子技術的年度投入預算不低於1億歐元，分別為歐盟5.5億歐元、美國3.6億歐元、中國2.2億歐元、德國1.2億歐元、英國1.05億歐元和加拿大1億歐元。

2016年4月，歐盟宣布將於2018年啟動總額10億歐元的「量子技術旗艦計劃」，通過通信、模擬器、感測器和計算機這四方面的短中長期發展，實現原子量子時鐘、量子感測器、城際量子鏈接、量子模擬器、量子互聯網和泛在量子計算機等重大應用。同年7月，美國公布《推進量子信息科學：國家挑戰與機遇》報告，建議美國將量子信息科學作為聯邦政府投資的優先事項，呼籲政產研通力合作，確保美國在該領域的領導地位，增強國家安全與經濟競爭力。報告指出，美國聯邦政府機構針對量子信息科學基礎與應用研究的年度資助額達到2億美元。2017年7月，創新英國組織（Innovate UK）與英國工程與自然科學研究理事會（EPSRC）聯合投資1380萬英鎊用於支持開創性的量子技術研究，其中65%的資金用於支持公司活動，35%的資金用於支持學術研究。

中國的量子通信特別是量子保密通信研究處於全球領先地位，是中國引領全球創新的代表性研究方向之一，相關成果引人注目，尤其是2016年8月發射「墨子號」量子科學實驗衛星以來，中國量子通信研究在國際上已居於引領地位。目前，「墨子號」已圓滿實現全部三大既定科學目標，包括在國際上率先成功實現千公里級的星地雙向量子糾纏分發，直接把此前的百公里級世界紀錄提高了一個數量級，以及在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。此後，「墨子號」又在中國和奧地利之間首次實現距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，並利用共享密鑰實現數據加密傳輸和視頻通信。該成果標誌著「墨子號」已具備實現洲際量子保密通信的能力，為未來構建全球化量子通信網路奠定了堅實基礎。2017年，全長2000多公里的世界首條千公里級量子保密通信幹線「京滬幹線」正式投入使用，有望使我國的金融、政務信息率先邁入到絕對安全的量子保密傳輸時代。完成這一系列重大進展的是由潘建偉院士領導的中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心（2017年5月已更名為中科院量子信息與量子科技創新研究院，以下簡稱中科院量子卓越中心），該團隊在我國量子通信研究領域做出了開創性的工作。

近年來，國際上量子科技領域的研究人員在包括量子計算、量子模擬、量子通信、量子密碼和量子感測等領域不斷取得重要研究進展，量子信息領域已發展成為國際研發競爭重要焦點之一。在量子計算機研究方面，新紀錄不斷被刷新——2017年5月中科院量子卓越中心研發了10比特超導量子線路樣品，以及歷史上第一台基於單光子的量子模擬機；同年11月，美國IBM宣布成功搭建20位量子計算機雲服務並研製出50位原型機；2018年2月，英特爾發布具有49個量子比特的超導量子測試晶元；同月，中科院量子信息與量子科技創新研究院成功實現64位量子計算機的模擬，並與阿里雲發布11量子比特超導量子計算服務在量子計算雲平台，打破了2017年由IBM創造的56位模擬記錄，並成為繼IBM後全球第二家向公眾提供10比特以上量子計算雲服務的系統。也有科技情報研究人員嘗試利用文獻計量學方法分析相關領域的論文或專利數據來揭示量子信息研究進展和研發熱點，例如，高芳等對量子信息領域的論文和專利數據進行了基本的定量統計；劉小平等利用共詞分析方法對量子信息領域2002—2011年SCI論文的關鍵詞進行分析，挖掘量子信息科學的研究熱點。然而，針對量子信息研發全球競爭態勢的研究尚不多見。

為了全面揭示國際上量子信息研發競爭態勢與格局，本文採用文獻計量學方法，以論文產出情況反映全球研發態勢，同時選擇國際領先的代表性科研單元開展比較分析，以反映研究競爭態勢。

2 數據與方法

本文借鑒qurope.eu網站對量子信息的定義，制定了如下量子資訊理論文檢索策略，並在ISI-WOS資料庫中檢索下載全部年份的所有文獻類型的論文數據，作為論文計量分析的數據基礎，數據檢索時間為2017年4月15日。

量子信息檢索式：TS=((Quantum and((information) or (eraser) or (Quantum-Classical Transition) or (coherence) or(entanglement) or (measurement) or (network) or (storage) or (memory) or(communication) or (fingerprint) or (processor) or (Cavity QED ) or (clock synchronization)or (imag*) or (sensor) or (magnetometry))) OR ((quantum NEAR/5 comput*) OR(quantum NEAR/15 algorithm*) OR (quantum NEAR/10 simulat*) OR (quantum NEAR/10error*) OR (「quantum circuit」 OR 「Quantum cellular automata」 OR 「Quantum Turingmachine」 OR 「quantum register」) OR (quantum NEAR/10 communication*) OR (quantumNEAR/15 protocol*) OR (quantum NEAR/15 cryptograph*) OR (「quantum key」)))。

比較分析對象遴選方案：從論文數居前10的機構中，選擇研究領域和組織模式相近、研究方向又各具特色的國際頂尖研究團隊（科研單元）開展比較分析。所謂科研單元，是指以由幾個或多個課題組構成的研究單元，通常是指在科研院所、高校或研髮型企業等內部建立的研究中心、重點實驗室、卓越創新中心等。

本文選取的分析對象包括在中國處於領先地位的中科院量子卓越中心、在量子理論研究方面位居國際領軍地位的美國麻省理工學院凱克極限量子信息理論中心（簡稱「麻省理工量子理論中心」），以及在量子計算及應用研究上頗具特色的英國牛津大學量子計算中心（簡稱「牛津量子計算中心」）。此外，我們還關注到加拿大卡爾加里大學在2013年創建了量子科學與技術研究所（簡稱「卡爾加里量子科技所」），著眼於量子信息理論和實驗主題前沿研究，在利用城市光纖網路實現量子通信研究方向也取得了國際領先成果，因此也將其納入比較分析。最終選定麻省理工量子理論中心、牛津量子計算中心以及卡爾加里量子科技所，與中科院量子卓越中心開展對標分析。

本文檢索各科研單元的全部科學家的論文，再匯總成為各科研單元的論文集合，用於開展論文的計量分析。

3 量子信息領域全球研發競爭格局

SCI論文數量增長趨勢反映出，量子信息研究從1991年起才真正邁入研發快速發展時期，此後論文數量一直急劇增長（圖1）。99%以上的論文均是在1991年以後發表的，這主要得益於Stephen Barnett、Paul Benioff、Richard P. Feynman等在20世紀70—80年代相繼提出將量子力學應用於信息科學的開創性設想，並與後繼者共同奠定了量子通信和量子計算的基礎，開啟了嶄新的發展階段。

圖1量子信息SCI論文數年度發展趨勢（基於WOS資料庫）

美國、中國、德國、日本、英國、法國、義大利、加拿大、俄羅斯和印度的論文數量位居前十位（圖2），在量子科學領域取得的重大成就多來自於這些國家。

圖2量子信息SCI論文數TOP20國家/地區（基於WOS資料庫）

在論文數量最多的前10個機構中，美國有3家，分別是麻省理工學院、加州大學伯克利分校和加州理工學院；中國和英國各2家；俄羅斯、日本和法國各1家。其中，中國科學院以5756篇論文數位列全球第一，且呈現出高速的增長趨勢；中國科技大學在2004年以前的論文數在前10機構中處於末位，但得益於之後的高速發展，其在2016年的論文數量躍居第二（圖3）。

圖3量子信息SCI論文數TOP10機構年度論文數發展趨勢（基於WOS資料庫）

4 國際頂尖科研單元比較分析

在當前量子信息研究步入全球競賽的背景下，我國的量子信息研究在全球具有領先優勢。下面將開展中國的領先科研單元「中科院量子卓越中心」與國際領先科研單元麻省理工量子理論中心、牛津量子計算中心和卡爾加里量子科技所的比較分析，以觀察當前在量子通信和量子計算等方向上的國際競爭態勢。

4.1各研究單元戰略定位與基本信息

中科院量子卓越中心的定位是為形成完整的國家實驗室構架創造條件並奠定基礎，重點聚焦於量子通信和量子計算等實驗與應用研究；而麻省理工量子理論中心的定位是探索和解決在極端量子信息環境下NP完全問題（世界七大數學難題之一，即多項式複雜程度的非確定性問題）、量子通信編碼技術，以及量子感測和控制的基本物理限制這三大理論問題；牛津量子計算中心的定位是利用新一代設備更好地探索量子效用；卡爾加里量子科技所的定位是開展量子科學與技術領域關鍵理論和實驗主題的前沿研究（表1）。

表1量子信息領域四家國際有影響力科研單元的概要對比

4.2 論文產出比較

統計各科研單元的SCI論文（截至2017年4月15日）發現（圖4），中科院量子卓越中心和牛津量子計算中心的論文數較多，而另外兩家科研單元的論文數較少。然而，由於4個科研單元人員數量規模不同，因此，為更加客觀地呈現各科研單元科研論文產出能力的差異，本文統計4個科研單元的人均論文產出情況（圖5）發現，麻省理工量子理論中心的人均論文數最多，同時其論文篇均被引頻次也最高。

圖4四個科研單元的量子資訊理論文數比較

圖5四個科研單元的量子資訊理論文篇均被引頻次比較

此外，本文還統計了4個科研單元在《科學》和《自然》兩大國際頂級期刊上的發文量，中科院量子卓越中心在兩刊的發文量總體與麻省理工量子理論中心相當，約為牛津量子計算中心的一半（圖6）。

圖6四個科研單元的量子信息頂級期刊發文量比較

這或許表明，中科院量子卓越中心在以論文產出為表徵的基礎理論研究方面優勢並不顯著。但事實上，最近幾年國際上在量子理論研究方面並無重大突破，重大進展多來自應用與實驗研究領域，中科院量子卓越中心正是這方面的領跑者，其在量子通信、量子糾纏、量子科學實驗衛星、量子計算機等領域的實驗和應用研究均已處於國際並跑至領跑地位。

4.3 人才隊伍結構比較

本文從各科研單元科學家學術影響力（基於論文篇均被引頻次）分布、年齡結構、學科專業背景等角度揭示其人才隊伍結構。

首先，本文統計了各科研單元所有科學家的論文篇均被引頻次，然後構建基於篇均被引頻次區間的分布金字塔圖（圖7），由圖可見：雖然麻省理工量子理論中心僅有9位科學家，但其論文篇均被引頻次卻由高到低均勻分布；而牛津量子計算中心和中科院量子卓越中心多數科學家的篇均被引頻次處於金字塔的底部，特別是中科院量子卓越中心科學家的篇均被引頻次位於金字塔底部的比例更高。比較而言，卡爾加里量子科技所的高水平科學家佔比最低，低學術影響力科學家佔比最高。

圖7四個科研單元基於篇均被引頻次的科學家分布金字塔圖

其次，從年齡分布來看，中科院量子卓越中心的人才隊伍最年輕，年輕科學家佔比最高，而其他三家科研單元均是中年科學家佔比最高（圖8）。中科院量子卓越中心的科學家平均年齡為43.8歲；而麻省理工量子理論中心、牛津量子計算中心和卡爾加里量子科技所的科學家平均年齡為62.2歲、49.9歲和49.6歲。中科院量子卓越中心大部分科學家年齡集中在30～39（佔比40%）和40～49（佔比40%）；麻省理工量子理論中心的科學家年齡主要集中於50～59（佔比44%）；牛津量子計算中心和卡爾加里量子科技所的科學家年齡主要集中於40～49歲，分別佔比41%和50%。

從諾獎科學家重大知識創新發現的年齡峰值規律來看，中科院量子卓越中心的人才年齡處於可以做出重大知識創新發現的最佳年齡段。該中心的潘建偉、陳宇翱和陸朝陽是獲得菲涅爾獎的僅有的三位中國科學家。此外，陸朝陽在2016年還被《自然》雜誌評選為中國「十大科學之星」；獲2015年度國家自然科學獎一等獎的潘建偉團隊的五位成員均為70後或80後。

8四個科研單元科學家的年齡分布

第三，從學科背景來看，中科院量子卓越中心的人才隊伍集中於物理學領域，而其他三個科研單元科學家的學科背景則較為多樣化，特別是牛津量子計算中心的人員學科專業背景最為豐富，甚至包括哲學和神學背景的科學家（圖9）。

圖9四個科研單元科學家的學科背景對比

可見中科院量子卓越中心高學術影響力科學家佔比低，平均年齡最年輕，年輕科學家佔比最高，學科專業背景相對單一地集中於物理學領域。而其他三個科研單元平均年齡較大，中年科學家佔比較高，學科專業背景相對更加多樣化。

4.4 科研模式比較

本文利用科學家合作網路結構來揭示4個科研單元的科研模式特點。本文所謂科研模式是指科研單元開展科學研究的學科結構以及研究人員開展科學研究的行為特徵，是區分不同機構或不同類型機構研究特徵的一種參考，可利用科學家合作網路和引文網路來揭示。

通過構建4個科研單元的科學家合作網路發現，中科院量子卓越中心呈現出極強的集團軍式的工作模式，具有極強的聯合攻關特徵；而麻省理工量子理論中心和牛津量子計算中心兩家科研單元的科學家相對獨立。如圖10a所示，中科院量子卓越中心的科學家形成了幾個密集合作團隊，以潘建偉等為中心的團隊，呈現出了極強的合作水平。

（a）中科院量子卓越中心的63位科學家合作網路圖（僅顯示63位科學家）

而麻省理工量子理論中心的科學家合作網路（圖10b）則較為稀疏，9位科學家之間維持了一定弱強度的合作關係，但更傾向於獨立開展研究，各自擁有相對獨立的合作網路，合作者多為博士後、訪問學者和學生。可見，其在保持獨立性的同時又維持著一定水平的合作。9位核心科學家中，有多位是量子信息領域的領軍人物或奠基性人才。例如，JeffreyGoldstone在1962年提出了Goldstone定理，是量子場論的奠基人，證明了希格斯玻色子理論；Peter Shor是量子分解演算法（Shor演算法）的提出者，證明可以用量子計算機來破解現在用的RSA加密演算法，掀起了研究量子計算機的高潮。Shor演算法是迄今量子計算領域最著名的演算法，2008年由潘建偉院士團隊在國際上首次用光子比特實驗實現，2016年又由MIT研究人員第一次以可擴展的方式實現。

（b）麻省理工量子理論中心的9位科學家合作網路圖（僅顯示論文數量≥5的合作者）

牛津量子計算中心的45位科學家中，量子材料領域的科學家合作程度相對較高，其他領域的合作以團隊內合作為主，團隊間合作維持弱關聯關係，科學家總體上呈現稀疏的弱合作關係（圖10c）。其中，尤為值得一提的是，Jonathan Jones是跨學科轉型並在量子信息領域獲得成功的典型案例，他將其在化學領域的核磁共振技術成功用於幾何量子計算，並與牛津大學的幾位科學家共同提出了利用核磁共振的幾何量子計算範式。Vlatko Vedral主要從事量子物理的前沿研究，持續開展量子計算和量子關聯的前沿探索，最近幾年持續開展絕熱量子計算模式研究。Andrew Steane主要開展離子井量子計算研究，同時在量子計算硬體和軟體上持續開展研究並有很多高影響力的成果。

（c）牛津量子計算中心的45位科學家合作網路圖（僅顯示45位科學家）

卡爾加里量子科技所的工作模式則既有類似集團軍的聯合攻關，也有幾位科學家各自獨立地開展研究（圖10d），處於網路中心地位的幾位研究人員均在量子信息領域做出了卓越的貢獻。例如，BarrySanders在量子極限下的測量理論、非經典光場理論、實用化的量子密碼學和光學實現及應用等諸多領域做出了原創性工作；Alexander Lvovsky在實驗和理論方面的貢獻對量子光學技術領域產生了革命性影響，在2010年獲得了國際量子通信獎；Wolfgang Tittel在量子通信領域進行了很多開創性實驗，包括採用標準電信光纖網路實現量子加密技術。

（d）卡爾加里量子科技所的14位科學家合作網路圖

圖10四個科研單元科學家的合作網路

5 結果與討論

基於前文的比較分析發現，自1991年起國際上量子信息領域研究進入快速發展時期，近二十多年來全球量子信息領域的論文數一直保持著高速增長的態勢，其中美國、中國和德國的量子資訊理論文總數位居前三位，特別是美國的總體領先優勢尤為明顯，而在機構層面，中國科學院則在論文數量上佔據了絕對領先的優勢。

正如前文所述，最近幾年，中國科學院和中國科學技術大學在量子通信領域不斷取得世界領先的重大突破性成果，本文通過比較分析4個全球領先的科研單元，揭示了其競爭發展態勢。分析發現，中科院量子卓越中心的論文數量多，但論文的總體影響力低於麻省理工學院和牛津大學的兩個科研單元，中科院量子卓越中心論文的篇均被引頻次相對較少，這一點與各科研單元的科研模式有一定關聯。麻省理工量子理論中心以理論研究優勢突出，集聚了多位大師級科學家；而中科院量子卓越中心的實驗研究最具優勢，針對量子信息領域可能產生革命性突破的重點方向和國際科學前沿熱點問題，中科院量子卓越中心應加強統籌布局，力爭突破一批關鍵科學問題，取得一批重大原始創新成果，不斷提升影響力。

在人才隊伍結構方面，中科院量子卓越中心的高被引科學家人數佔比較低，特別大師級、領軍型科學家缺乏。因此，為滿足我國學術界和產業界對量子信息科學領域人才的需求，確保並保持我國在量子信息科學領域的強勁發展勢頭，建議我國應繼續強化開放的人才理念，強化團隊開放意識，重視人才培養、開放交流，加強與國際、國內頂尖研究機構、團隊和傑出人才的深入學術交流，引進和穩定國際頂尖創新人才。同時，應充分利用青年科學家佔比最高、正處於可以做出重大知識創新發現的最佳年齡段，應為他們提供寬鬆的創新環境和穩定的支持，以便令其在最佳年齡段潛心做最具創新性的科學研究。

在學科背景方面，中科院量子卓越中心的人員學科背景相對單一地集中於物理領域，多樣性不足，而麻省理工量子理論中心和牛津量子計算中心的人員學科背景更具多樣性，更有利於學科交叉和融合創新。量子信息科學並非僅涉及物理學，還與計算機科學、應用數學、電氣工程、系統工程等領域息息相關。隨著科學的發展，僅憑某一學科領域的研究已很難解決複雜的現實問題。在科技史上，科學前沿的很多重大突破都得益於學科交叉融合。因此，應加強團隊成員學科背景的交叉性，注意引進相關重要科學背景的一流人才，促進創新團隊人員學科專業背景的多樣化，形成學科交叉融合的優勢，以有利於學科交叉方向上新知識的發現。

在科研模式方面，中科院量子卓越中心呈現出極強的集團軍式的工作模式，具有極強的聯合攻關特徵，這種優勢是麻省理工量子理論中心和牛津量子計算中心兩家科研單元所不具備的，卡爾加里量子科技所的科研模式介於上述兩類中間，既有相對獨立地開展研究的科學家，也有部分採取集團軍式的聯合研究團隊。

截至目前，中國科學院牢固佔據著全球量子通信研究前沿，由其建設的世界第一條量子保密通信骨幹線路——中國國家量子保密通信「京滬幹線」於2017年9月29日正式開通，「京滬幹線」與「墨子號」量子科學實驗衛星成功對接，在世界上首次實現了洲際量子保密通信。我國正以中科院量子信息與量子科技創新研究院為核心力量籌備量子信息科學國家實驗室的建設工作，這勢必將進一步極大提升我國在量子信息領域的研發能力和水平，我國或將在未來持續引領全球量子信息科學的發展。

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