基于Gephi知識圖譜的量子光學芯片研究狀況與熱點分析

葉文瑩

摘要：本文以web of science核心合集為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，借助excel、gephi軟件總結(jié)分析量子光學芯片領(lǐng)域的發(fā)文趨勢，國家分布，國內(nèi)機構(gòu)合作及熱點關(guān)鍵詞演變情況。通過定量與定性相結(jié)合的綜述，以探析量子光學芯片領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，為進一步拓展該領(lǐng)域的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：量子光學芯片;Gephi;文獻計量分析

引言

隨著光路復(fù)雜程度的不斷提高，平臺光學在穩(wěn)定性、可擴展性等方面已經(jīng)不能滿足進一步研究的需要，發(fā)展遇到了瓶頸。而量子光學芯片有尺寸小、可擴展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，因而在經(jīng)典光學和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。近年來，基于光子的量子計算機獲得了快速發(fā)展。利用光的量子特性實現(xiàn)量子計算，將光量子計算所需的器件集成到半導體芯片上，從而實現(xiàn)與當前半導體工業(yè)微納加工技術(shù)相兼容的低功耗、小型化的半導體集成量子光學芯片是實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的重要技術(shù)路徑，將為未來特定計算問題解決提供重要支撐?；诖耍疚耐ㄟ^文獻統(tǒng)計及可視化方法，對該領(lǐng)域的文獻進行歸納總結(jié)，全面掌握該領(lǐng)域研究的發(fā)展態(tài)勢與變化規(guī)律，深入分析領(lǐng)域發(fā)文趨勢、國家分布、國內(nèi)機構(gòu)合作以及研究熱點關(guān)鍵詞演進路徑，為研究者后續(xù)開展相關(guān)研究提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文聚焦于量子光學芯片研究領(lǐng)域，通過web of science核心合集對相關(guān)研究進行檢索和計量統(tǒng)計，并借助Excel、Gephi軟件對結(jié)果進行分析和可視化。本文圍繞quantum、optical、chip、photon等關(guān)鍵詞進行檢索，共命中1483條檢索記錄，檢索時間為2021年7月23日。剔除作者、關(guān)鍵詞、發(fā)表日期及機構(gòu)不完整的記錄，篩選獲得1114篇文獻。

2 量子光學芯片領(lǐng)域文獻計量分析

2.1 發(fā)文趨勢

通過領(lǐng)域發(fā)文趨勢分析，可以了解研究的熱度變化與趨勢特征。量子光學芯片領(lǐng)域年度發(fā)文趨勢見圖1。最早的論文可以追溯到1991年，在2003年之前，該領(lǐng)域的文獻產(chǎn)出比較有限，發(fā)文量在10篇以下，呈現(xiàn)緩慢的增長趨勢，屬于萌芽時期。2003年以后，發(fā)文量增速加快，領(lǐng)域進入了較為快速的發(fā)展時期。

本文分析了該領(lǐng)域論文的年度篇均被引頻次，發(fā)現(xiàn)2003年的篇均被引頻次遙遙領(lǐng)先，超過了200次/篇。探究發(fā)現(xiàn)，Akahane， Y[1]等人于2003設(shè)計了基于硅材料的高Q值二維光子晶體微腔，大幅度提高了Q/V值，促進了光子元件的集成，因此極大地推進了該領(lǐng)域的發(fā)展。

本文還分析了我國的發(fā)文情況，相較于國外，我國該領(lǐng)域的研究起步比較晚，2010年才開始起步，不過起步后便發(fā)展較為迅速。

2.2 發(fā)文國家和機構(gòu)

識別領(lǐng)域發(fā)文國家和機構(gòu)可以為后續(xù)開展合作研究提供參考。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，1114篇文獻共涉及46個國家900余個機構(gòu)。發(fā)文量前三的國家為美國，中國和英國，德國、日本、澳大利亞、意大利、荷蘭、法國和韓國分別是發(fā)文量第四至第十的國家。其中美國的發(fā)文量為314篇，在該領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位，中國以252篇的發(fā)文量位列第二。

本文分析了我研究機構(gòu)的合作情況。我國的252篇論文覆蓋了國內(nèi)158家機構(gòu)，可見量子光學芯片在國內(nèi)有著較為廣泛的研究基礎(chǔ)。中國科學院的發(fā)文量為72篇，排名第一。高發(fā)文學校不僅有中國科技大學、北京大學、南京大學、中山大學、上海交通大學、華中科技大學和浙江大學等“雙一流”建設(shè)高校，也包括陜西大學、電子科技大學等普通院校。從機構(gòu)合作看，形成了以中國科學院、中國科技大學和北京大學為核心的三大合作群體，其中國以中國科學院-中國科學院大學-浙江大學合作群體最具代表性，其他群體以華中科技大學為核心的群體也開始出現(xiàn)。

3 高頻關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是研究對象、研究內(nèi)容和研究方法的高度概括和凝練，對高頻關(guān)鍵詞的分析在一定程度上可以揭示領(lǐng)域研究熱點。利用gephi軟件繪制領(lǐng)域關(guān)鍵詞的共現(xiàn)圖譜，如圖2所示。其中l(wèi)ight（光）、wave-guide（波導）、generation（產(chǎn)生）、emission（發(fā)射）、entanglement（糾纏）、state（量子態(tài)）、photon（光子）、cavity（空位）、circuit（回路）和laser（激光）等關(guān)鍵詞的節(jié)點比較大，是該領(lǐng)域出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞。關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜形成了以light、wave-guide、generation、emission和entanglement為中心的五個聚類，表明至今為止該領(lǐng)域的研究主要圍繞著光源、光波導、量子糾纏等幾個方面展開。

為了研究高頻關(guān)鍵詞的演進情況，本文根據(jù)年度發(fā)文量將關(guān)鍵詞進行了時間切片，分為了1991-2003、2004-2014和2015-2021三個時間段，聚類分布情況如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，2015-2021年之間的研究關(guān)鍵詞與2004-2014年之間的關(guān)聯(lián)度相對較高，表明這兩段時間的研究主題有一定的相關(guān)度， 2004年之間的研究內(nèi)容與2004年之后的關(guān)聯(lián)度低，主要是因為2004年之前是該領(lǐng)域的早起發(fā)展階段，研究處于摸索時期，文獻成果相對來說不夠成熟。而2015年后，較多的學者涉足該領(lǐng)域，在論文高產(chǎn)的同時，研究主題也得到了進一步的發(fā)展與成熟，表現(xiàn)為2015-2021年的關(guān)鍵詞共現(xiàn)線條相對較粗。同時可以發(fā)現(xiàn)，2015年后出現(xiàn)了大量的新興關(guān)鍵詞，表明該領(lǐng)域仍舊處于探索的階段，是一個相對前沿的研究熱門主題。

4 結(jié)論與討論

本文通過對量子光學芯片研究的系統(tǒng)綜述，采用excel、gephi軟件對文獻進行計量分析，客觀呈現(xiàn)了發(fā)文整體態(tài)勢、發(fā)文國家分布、國內(nèi)機構(gòu)合作以及研究熱點關(guān)鍵詞及演進。主要結(jié)論如下：

1. 該領(lǐng)域的研究可追溯到1991年，1991-2003年為誕生時期，2003年至今進入了快速的發(fā)展時期。相較于國外，我國該領(lǐng)域的研究起步較晚，不過于2010年起步后便發(fā)展較為迅速。

2. 歐美國家是該領(lǐng)域的主要發(fā)文地區(qū)，其中前三位發(fā)文國家為美國、中國和英國。

3. 我國在該領(lǐng)域的主要研究機構(gòu)分布較廣，主要形成了以中國科學院、中國科技大學和北京大學為核心的三大合作群體。

4. 量子光學芯片的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜形成了以light、wave-guide、generation、emission和entanglement為中心的五個聚類。關(guān)鍵詞時間切片演變結(jié)果顯示，該領(lǐng)域仍處于新興的探索階段，是一個前沿的研究熱點主題。

參考文獻

[1] Akahane， Y.， Asano， T.， Song， B.S. and et.al. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. Nature. 2003， 425（6961）： 944-947.