量子密碼技術國際研究態勢分析

李海英

摘要：論文通過科技文獻分析了“量子密碼”主題的國際研究態勢，并通過文獻計量學，縱觀了量子密碼研究的整體趨勢、地域分布、重點機構分布、重要產出期刊等。同時，通過開源工具，對量子密碼研究進行了主題態勢分析。

關鍵詞：量子密碼;文獻計量;主題態勢

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1 引言

量子密碼技術是傳統密碼學和量子物理學相結合的產物，利用光子偏振文獻現象攜帶數據，利用海森堡測不準原理和量子不可復制定理實現密鑰分發[1]。相比傳統數字密碼技術，量子密碼術擁有無條件安全性和對竊聽者的可檢測性，擁有巨大的發展前景。目前，國內外對量子密碼學的研究處于蓬勃發展期，通過文獻計量學，縱觀量子密碼研究的整體趨勢、地域分布、重點機構分布、重要產出期刊等，基于關鍵詞共現的方法，通過開源工具Vosviewer對量子密碼研究進行主題態勢分析。本文結果可以為量子密碼學研究人員提供學科整體態勢參考，以期讓量子密碼技術領域研究人員對整體研究態勢有所把握。

2 數據來源

在制定檢索策略時，以量子密碼技術主要學名和其它態勢研究論文[2，3]為參考，以TS=（“quantum cryptography”or“quantum key”or“quantum signature”or“quantum Secure Communication”）為檢索式，在Web of Science 檢索系統中的科學引文索引擴展版（SCIE）進行檢索。檢索時間為2019年1月7日，共檢索得到5295條量子密碼研究相關數據。

3 研究態勢分析

3.1 研究整體趨勢

從SCI論文的發文整體趨勢，如圖1所示可以看出，最早的研究始于20世紀80年代末期。在1984年，Charles H.Bennett和Gilles Brassard提出了著名的BB84量子密鑰分配協議，此后量子密碼研究課題如雨后春筍般地涌現。從2001年開始，對于量子密碼的研究進入了快速發展期。此后，雖有起落，但總體呈現較快上升趨勢，目前該領域仍處于研究的蓬勃發展期。

量子密碼領域論文產出排名前十的國家如圖2所示，分別是中國、美國、英國、日本、加拿大、德國、瑞士、意大利、法國和俄羅斯。中國在該主題的研究占絕對優勢，發文數量遠超第2名美國。可見，中國是當今世界量子密碼研究的主要陣地。

3.2 主要研究機構

表1列出了全球量子密碼研究領域的前二十位發文機構，其中中國9家（包括中國臺灣1家）、日本3家，俄羅斯、加拿大各2家，德國、瑞士、新加坡、英國各1家。美國并未有機構進入TOP20，第21位是美國麻省理工大學，發文為67篇。發文量排名前五位的機構依次是中國科學技術大學、北京郵電大學、中國科學院（發文最多的是中國科學院信息工程研究所）、日內瓦大學和滑鐵盧大學。前二十位發文機構以高校和科研院所為主，日本則以企業為主。

中國的科學家近十年來在量子研究領域成績斐然。中國科學技術大學潘建偉等多次刷新在光纜中安全傳輸距離的世界紀錄。中國科學技術大學潘建偉、徐飛虎、張強等人在量子通信復雜度方向取得重要進展，首次通過實現兩方分布式計算任務通信方向的相干疊加，證明了量子通信相對于經典通信，有著指數級別的優勢[4]。

3.3 論文影響力分析

對全球發表的關于量子密碼研究論文的被引頻次進行分析，以國家進行累積加和，并計算其篇均被引頻次，如表2所示。總被引次數和篇均被引次的高低說明研究的影響力大小，其中總被引次數表示國家在該研究領域的影響力，篇均被引次數表示發表論文的被關注的程度。

從被引總頻次來看，前十位依次是美國、英國、中國、瑞士、加拿大、德國、日本、法國、澳大利亞、西班牙。美國總被引頻次達36178，其篇均被引頻次為48.43，排在世界第8位。如圖3所示，平均被引頻次最高的國家是瑞士，達106.75，可見瑞士雖然發文量相比較少，但被關注度較大。中國論文總數排第1位，總被引頻次位于第3位，篇均被引頻次也排在第16位，可見中國的文章被關注相對較弱。

4 主題分析

本節研究內容基于關鍵詞共現的方法，對近5年（2014-2018年）量子密碼學研究發表的論文進行主題分析，將近5年量子密碼學研究SCI論文作為一個數據集，采用Thomson Data Analyzer軟件將論文的Keywords Plus字段經過機器與人工清洗，之后利用VOSviewer軟件對論文核心主題詞代表此主題中出現的高頻主題詞數據進行聚類;根據論文數據集大小設置一定共現頻次和共現強度對關鍵詞進行聚類。結合專家判讀，分別對每個聚類進行命名和解讀，對期刊發文主題進行識別和分析。

分析結果中的核心主題詞平均被引頻次代表包含此主題詞的論文發文以來的平均被引頻次;平均關聯強度代表此主題概念包含的核心主題詞間聯系的緊密程度，主題關聯強度越大代表核心主題詞間共現強度越大、研究越集中，反之則代表共線強度相對較低、研究越分散。

量子密碼領域近5年共計發論文2175篇，以Keywords Plus為分析字段，經過機器與人工清洗后，從1461個關鍵詞中選取出現頻次大于6次的219個關鍵詞作為分析對象，進行聚類計算。通過對這些論文中共現強度最大的核心主題詞進行聚類，得到5個簇，如圖4所示。

對以上5個主題進行分析，結果如表3所示。

主題1：量子認證研究主要包括認證協議、安全性分析、量子簽名、仲裁量子簽名、量子信道認證等。

主題2：量子糾纏態研究主要包括量子糾纏態自檢、量子糾纏態穩定性研究、量子糾纏態的確定性等。

主題3：量子協議研究主要包括量子密鑰分發（BB84協議即為一種密鑰分發協議）、安全直接通信（QSDC）及量子簽名。用光子等粒子作為量子源，利用貝爾態、GHZ態和W態等糾纏態構建協議。

主題4：計算攻擊研究主要包括Fourier相關變換、量子因子分解、RSA算法攻擊等。

主題5：光子源研究主要指利用線性光學制備良好的可供通信的光源，包括量子比特制備、復合量子比特制備、量子比特變換、單光子信息檢測技術等。

5 結束語

從發文數量分析，量子密碼研究目前仍處于研究蓬勃發展期，中國是當今世界量子密碼研究的主要陣地。中國發文數量較多，但相對影響力較差，關注度較低。近5年量子密碼學的研究主要集中在量子認證、量子糾纏、量子協議、量子計算攻擊和光子源方面。

參考文獻

[1]?陸炳旭.量子密碼技術發展概述[J].計算機光盤軟件與應用，2014，17（24）：314-315.

[2] ?劉小平，李澤霞.基于共詞分析的量息學前沿熱點分析[J].科學觀察，2014，9（05）：13-22.

[3] ?張志強，陳云偉，陶誠，徐婧，田倩飛.基于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，2018，40（1）：37-49.

[4] ?Wei K ， Tischler N ， Zhao S R ， et al. Experimental Quantum Switching for Exponentially Superior Quantum Communication Complexity[M]. Physical Review Letters 122， （2019）.