基于文献计量和知识图谱的量子计算研究演进探析_王东浩.pdf

2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.111201202023.062023.06收稿日期：2023-01-30基于文献计量和知识图谱的量子计算研究演进探析王东浩1，王天辰2（1.潍坊学院，山东 潍坊 261061；2.潍坊中学，山东 潍坊 261031）摘 要：收集有关量子计算研究的国际文献，基于 WOS 数据分析和数据挖掘，运用文献计量学、数理统计分析和内容分析法，以及数据透视表、CiteSpace、VOSviewer 知识图谱可视化等工具，全面分析量子计算的研究进展、研究热点、研究力量，探析量子计算的未来研究趋势。量子计算的未来研究将面临三个主要挑战：可扩展纠错的量子计算机硬件、可促进技术应用的量子算法和量子软件工具、可防止量子计算机攻击和破解的后量子密码学。文末探讨了量子计算+人工智能的研究方向。关键词：文献计量；量子计算；量子算法；量子硬件；知识图谱；可视化中图分类号：TP391.1；G353 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0120-09Analysis of the Evolution of Quantum Computing Research Based on Bibliometrics and Knowledge GraphWANG Donghao1,WANG Tianchen2(1.Weifang University,Weifang 261061,China;2.Weifang Middle School,Weifang 261031,China)Abstract:Collect international literature on quantum computing research.Based on WOS data analysis and data mining,use Bibliometrics,mathematical statistics analysis and content analysis methods,as well as PivotTables,CiteSpace,VOSviewer knowledge graph visualization and other tools to comprehensively analyze the research progress,research hotspots,research strength of quantum computing,and explore the future research trend of quantum computing.The future research of quantum computing will face three major challenges:scalable error correcting quantum computer hardware,quantum algorithms and quantum software tools that can promote the application of technology,and post quantum cryptography that can prevent quantum computer attacks and cracking.The research direction of quantum computing and artificial intelligence is discussed at the end of the paper.Keywords:bibliometric;quantum computing;quantum algorithm;quantum hardware;knowledge graph;visualization0 引 言量子计算是量子信息科学领域的一个重要分支，是一种基于量子力学理论规律对量子信息进行高速运算、存储和处理的新型计算模式。量子计算机利用基本信息单元量子比特的叠加与纠缠状态，应用量子相干性和不可克隆性等原理，可提供强大的并行计算和模拟能力，其计算能力明显优于传统经典计算机。可以有效解决多个应用领域中大规模复杂计算的难题和超级计算机难以处理的特定问题，如人工智能、数据分析、新药研发、密码通信、清洁能源、化工开发、金融建模、天气预测等，被称之为未来人类社会发展的重大颠覆性技术，其未来目标是实现可通用化、实用化的量子计算机。近年来，世界上排名靠前的科技发达国家高度重视量子科技研究与应用，各国政府、科研机构正在加速进行战略部署，加大研发投入，加快引领新一轮科技革命和产业变革。量子计算作为量子科技研究领域的重中之重，量子硬件开发和量子软件/算法的巨大进步促使量子计算更加接近于现实。本文对量子计算研究方面的相关国际文献进行收集和分析，揭示量子计算的研究特点与发展趋势，概述量子计算的研究DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.028进展、研究热点和研究力量，探析量子计算的未来研究趋势，展望量子计算+人工智能的研究方向，为相关理论的研究与实践探索提供参考。1 数据与方法1.1 数据收集与样本选择文献数据和样本选用 Clarivate Analytics 旗下的 Web of Science 核心合集，该数据库具有质量高和范围广的优势，是全球最具影响力的科学引文索引。为确保数据的准确完整，选用 SCI-EXPANDED、SSCI、A&HCI、CPCI-S、CPCI-SSH、ESCI、CCR-EXPANDED、IC，检索的时间跨度设定为：1980 年 1 月至 2021 年 12 月；检索表达式为：TS=(quantum information*OR quantum bit OR quantum superposition OR quantum entanglement OR quantum cryptography OR quantum password OR quantum turing machine OR quantum computation OR quantum computer OR quantum simulation OR quantum computing OR topological quantum computation OR quantum gate OR quantum circuit OR superconducting quantum circuit OR quantum algorithm*OR quantum genetic algorithm OR shoralgorithm OR grover algorithm OR HHL algorithm OR quantum approximate optimization algorithm OR quantum machine 1211212023.062023.06第 11期learning*OR quantum deep learning*OR quantum neural network)，删除编辑材料、会议摘要、信件、笔记和其他文件类型，从物理学、光学、粒子与原子核物理、原子与分子物理、应用物理学、电气与电子工程、数学物理、计算机科学、量子信息科学、凝聚态物理和材料科学等多个学科的 46 170篇论文中获得了相关数据。量子信息科学是多学科交叉融合而形成的新兴科技领域，鉴于各国参考文献的引用范围各有不同，基于 Eugene Garfield 的文献集中定律和 Derek John de Solla Price 的普赖斯定律，对检索式中与“量子计算”相关的 23 个主题文献引文信息进行遴选，如式（1）所示：（1）原始数据中文献被引最高次数是 11 819 次，代入式（1）中得出 81.428，本文确定被引次数 82 的高被引文献为 3 378 篇。分别下载完整的记录、引用的参考文献，以及重要文献的全文，以供后续的内容分析和可视化之用。被引次数是长期累积的结果，所选文献具有较高的学术价值和影响力，有助于确定所属领域的突破性研究和所做出的重要贡献。1.2 研究工具与方法基于 WOS 数据分析和数据挖掘，运用文献计量学、数理统计分析和内容分析法，以及数据透视表、CiteSpace、VOSviewer 知识图谱可视化等工具进行全面的研究。2 量子计算研究的年度分布概述检索 Web of Science 核心合集得到相关数据，利用数据透视表工具，绘制以时间（年）为横坐标，发文量（篇）、累积量（篇）为纵坐标的年度分布与研究趋势图，呈现出量子计算研究的发展和变化趋势，如图 1 所示。从发文量和研究趋势来看，量子计算研究可分为 3 个阶段：19801990年为量子计算研究的起始阶段；19912009 年为量子计算研究的探索阶段；20102020 年为量子计算研究的发展阶段。1 3 1 3 2 7 6 4 5 23 33 51 41 69 93 162 281 307 545 662 966 1 097 1 126 1 333 1 422 1 539 1 605 1 976 1 766 1 740 1 884 2 077 2 257 2 431 2 751 2 797 3 202 3 737 4 0824 0831 1 1 4 5 8 10 17 23 27 32 55 88 139 180 249 342 504 785 1 092 1 637 2 299 3 265 4 362 5 488 6 821 8 243 9 782 11 387 13 363 15 129 16 869 18 753 20 830 23 087 25 518 28 269 31 066 34 268 38 005 42 08746 17005 00010 00015 00020 00025 00030 00035 00040 00045 00050 0000 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 Cumulant/articleThe number of published periodical articles/article Date of publication/yearThe number annual of published periodical articlesCumulant -Quantum computing software/hardware has made various breakthroughs in different fields.Dedicated algorithms such as quantum approximate optimization algorithms,quantum-inspired algorithms,variational quantum algorithms,quantum random walks,etc.emerge;explore the role between quantum computing and machine learning,the advantages in machine learning,artificial intelligence and other fields;and research on quantum natural gradients,quantum support vector machines and quantum walks for quantum neural networks.Successively launched superconducting