基于專利分析的顛覆性技術(shù)演化與預(yù)測研究
——以量子信息技術(shù)為例

儲節(jié)旺,李佳軒,安怡然

(安徽大學(xué) 管理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引言

當(dāng)今世界,伴隨著新方法、新技術(shù)、新知識的不斷提出與應(yīng)用,科技產(chǎn)業(yè)迎來新一輪顛覆性變革,科技創(chuàng)新能力成為推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一動力。其中,顛覆性技術(shù)作為科技創(chuàng)新的重要組成部分,是推動新一輪技術(shù)變革的強(qiáng)力引擎,是實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新領(lǐng)域“彎道超車”的有效途徑[1]。顛覆性技術(shù)預(yù)測與研發(fā)已經(jīng)成為大國博弈的制高點(diǎn),也是各國實(shí)現(xiàn)國際地位更替的關(guān)鍵。習(xí)近平總書記在多個重大會議上強(qiáng)調(diào)要在顛覆性技術(shù)創(chuàng)新方面主動作為,顛覆性技術(shù)創(chuàng)新探索、研發(fā)、轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)具有前瞻性、戰(zhàn)略性、復(fù)雜性的系統(tǒng)工程,必須擺在國家發(fā)展全局高度。眾多研究表明,顛覆性技術(shù)并不遵從傳統(tǒng)科技發(fā)展思路和技術(shù)路徑,擁有強(qiáng)大的創(chuàng)造性和破壞力,能夠顛覆長期以來穩(wěn)定發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)體系,并深刻改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ詈凸ぷ鞣绞絒2]。鑒于顛覆性技術(shù)具有不確定性、時(shí)效性、前瞻性等特征,如何對其進(jìn)行預(yù)見分析成為顛覆性技術(shù)取得優(yōu)勢地位的首要任務(wù)。為提高我國技術(shù)創(chuàng)新能力和整體科技水平,學(xué)者對顛覆性技術(shù)演進(jìn)與預(yù)測進(jìn)行了積極探索,但仍存在以下不足:①多采用文獻(xiàn)計(jì)量方式對顛覆性技術(shù)演進(jìn)過程進(jìn)行研究,如對顛覆性技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行聚類分析,主要依靠文獻(xiàn)篇名和關(guān)鍵詞,難以挖掘詞義之間的相關(guān)性,對于顛覆性技術(shù)演進(jìn)的描述存在一定偏差;②主要以專家與算法相結(jié)合的方式對顛覆性技術(shù)進(jìn)行預(yù)測分析,無論是專家分析還是算法分析在實(shí)際應(yīng)用中都存在所需文本量較大、適用程度較低、評價(jià)方法過于主觀等問題;并且,學(xué)者所采用的算法多是探討某一技術(shù)未來發(fā)展趨勢,忽略了潛在技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)。基于此,本研究提出一種基于專利分析與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的方法,利用算法對專利潛在語義進(jìn)行挖掘,利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對技術(shù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行預(yù)測,通過語義間的關(guān)聯(lián)算法與鏈路預(yù)測算法可有效彌補(bǔ)以往研究的不足;③通過對量子信息技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)證分析,探究量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢和前景,并驗(yàn)證所提方法的可行性。

總體而言,本研究嘗試解決以下問題:①利用專利分析法剖析顛覆性技術(shù)整體演化趨勢,對其發(fā)展路線進(jìn)行詳細(xì)描述;②根據(jù)顛覆性技術(shù)整體發(fā)展路線,利用后離散方法對其前沿技術(shù)熱點(diǎn)演變進(jìn)行分析;③以專利分析結(jié)果中的關(guān)鍵技術(shù)與衍生技術(shù)作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),構(gòu)建顛覆性技術(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對潛在關(guān)聯(lián)技術(shù)進(jìn)行預(yù)測。

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 顛覆性技術(shù)源起

顛覆性技術(shù)是一種另辟蹊徑、對已有傳統(tǒng)或主流技術(shù)產(chǎn)生整體或根本性變革的技術(shù),其既可能是全新技術(shù),也可能是現(xiàn)有技術(shù)的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域應(yīng)用[3]。1995年,哈佛大學(xué)商學(xué)院教授Christensen[4]首次提出顛覆性技術(shù)的概念,顛覆性技術(shù)理論探討由此展開。1997年,Christensen[5]在《創(chuàng)新者的困境》一書中正式提出顛覆性技術(shù)一詞,認(rèn)為技術(shù)創(chuàng)新存在兩種模式:漸進(jìn)式創(chuàng)新和顛覆式創(chuàng)新。其中,漸進(jìn)式創(chuàng)新推崇對原產(chǎn)品或技術(shù)進(jìn)行更新?lián)Q代,而顛覆式技術(shù)創(chuàng)新則是對已有科學(xué)技術(shù)的融入,是由科技創(chuàng)新活動所引發(fā)的重大技術(shù)范式變革。2003年,Christensen[6]又在《創(chuàng)新者的解答》一書中對顛覆性技術(shù)概念進(jìn)行完善,增加顛覆性創(chuàng)新理念。顛覆性技術(shù)概念一經(jīng)提出,國內(nèi)外學(xué)者便嘗試從競爭環(huán)境、技術(shù)發(fā)展、市場需求和技術(shù)生態(tài)等多個角度對其進(jìn)行探索。從技術(shù)發(fā)展角度,顛覆性技術(shù)更多是指技術(shù)發(fā)展本身,美國國防高級研究計(jì)劃局對顛覆性技術(shù)的研究多涉及技術(shù)發(fā)展本身,如生物技術(shù)、網(wǎng)電空間(網(wǎng)絡(luò)電磁空間)、航天技術(shù)、材料技術(shù)、制造技術(shù)等[7]。

1.2 顛覆性技術(shù)特征

“簡單、方便、便宜”是顛覆性技術(shù)的早期特征。Christensen[5]認(rèn)為,新型技術(shù)只要比現(xiàn)存技術(shù)更可靠便是顛覆性技術(shù);2003年,Christensen[6]對顛覆性概念進(jìn)行完善,認(rèn)為顛覆性具有雙重屬性:一是對現(xiàn)有行業(yè)的顛覆;二是對一個行業(yè)創(chuàng)新性的維持;Thomond等[8]將顛覆性技術(shù)特征定義為新穎性、新興性、可發(fā)展性、顛覆性、延展性;Kenagyz等[9]將顛覆性技術(shù)特征定義為簡易性、易忽略性、可發(fā)展性、易使用性、智能性;于光輝(2021)認(rèn)為顛覆性技術(shù)具有獨(dú)特性、新穎性、顛覆性特征。

本研究基于以往學(xué)者對顛覆性技術(shù)特征的研究以及各國情報(bào)部門對于顛覆性技術(shù)的定義,認(rèn)為顛覆性技術(shù)具有如下特征:①變革性。顛覆性技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用往往伴隨著經(jīng)濟(jì)與社會整體性變革,涉及軍、工、商、農(nóng)等多個領(lǐng)域并能重塑多領(lǐng)域格局;②前瞻性。顛覆性技術(shù)是對未來技術(shù)發(fā)展態(tài)勢的感知,既是對已有技術(shù)突破的預(yù)知也是對未知領(lǐng)域技術(shù)的率先研發(fā);③顛覆性。顛覆性技術(shù)是對原有技術(shù)體系的猛烈沖擊,會改變原有技術(shù)體系發(fā)展路徑;④發(fā)展性。顛覆性技術(shù)本身具有高延展性,涉及技術(shù)本身升級以及與其它技術(shù)的交互,能夠隨人類需求而不斷完善;⑤不確定性。既指捕捉顛覆性技術(shù)的困難性,也包括顛覆性技術(shù)投入與產(chǎn)出的不確定性(蘇成等,2021)。

1.3 顛覆性技術(shù)演化與預(yù)測

在顛覆性技術(shù)眾多研究中,顛覆性技術(shù)演化與預(yù)測始終是研究熱點(diǎn)。

Dosi[10]在1982年提出技術(shù)演進(jìn)軌跡理論,認(rèn)為技術(shù)創(chuàng)新是沿著某種特定路徑的創(chuàng)新。自此,學(xué)者開始嘗試使用各種方法描述顛覆性技術(shù)演化路徑,多采用文獻(xiàn)計(jì)量法、專家評價(jià)法、專利分析法等研究方法。曹春陽等[11]通過比較低端技術(shù)與高端技術(shù),對顛覆性技術(shù)演變特征予以分析;盧松平[12]根據(jù)企業(yè)層次識別潛在顛覆性技術(shù)選項(xiàng),為潛在顛覆性技術(shù)繪制路線圖,通過路線圖譜展示顛覆性技術(shù)演進(jìn)過程;蘇敬勤等[13]利用專利文獻(xiàn)對顛覆性技術(shù)創(chuàng)新演化路徑進(jìn)行研究。本研究以專利分析法作為主要研究方法。專利是度量技術(shù)發(fā)展的重要指標(biāo),包含全球 90%以上的專利技術(shù)信息[14]。專利分析法常被研發(fā)工程師、學(xué)者和技術(shù)政策制定者使用,專利分析結(jié)果可用于描述技術(shù)特質(zhì)及其演進(jìn)趨勢[15]。李乾瑞等(2021)利用專利文獻(xiàn)識別顛覆性技術(shù)特質(zhì);王康等[16]利用科學(xué)計(jì)量法對專利文獻(xiàn)引用變化趨勢進(jìn)行分析,以此識別顛覆性技術(shù)演進(jìn)過程;Yoon等[17]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)的專利分析法,用以研究特定領(lǐng)域?qū)＠g的關(guān)系。盡管專利分析法被廣泛應(yīng)用于科技管理研究,但該方法在不同使用情境下存在語義間相關(guān)性難以判斷、專利挖掘準(zhǔn)確性不足等問題。為彌補(bǔ)上述不足,本研究采用潛在狄利克雷分配模型(LDA)對專利文本進(jìn)行挖掘,并繪制顛覆性技術(shù)演進(jìn)路線圖,對其中的前沿技術(shù)熱點(diǎn)采用后離散方法進(jìn)行分析,以描述前沿技術(shù)發(fā)展態(tài)勢。

學(xué)者多采用主觀判斷和客觀推導(dǎo)分析兩種研究方法對顛覆性技術(shù)進(jìn)行預(yù)測[18]。吳菲菲等[19]使用基于技術(shù)研發(fā)與基礎(chǔ)研究相關(guān)聯(lián)的方法對顛覆性技術(shù)進(jìn)行預(yù)測;侯廣輝等(2021)利用突變模型對早期顛覆性技術(shù)識別與預(yù)測進(jìn)行分析;Lim等[20]使用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對顛覆性技術(shù)進(jìn)行匯總,并對其發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測;Gerdsri等[21]將層次分析法應(yīng)用于顛覆性技術(shù)預(yù)測研究,并以此繪制顛覆性技術(shù)預(yù)測路線圖。本研究對學(xué)者常用研究方法進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn),多數(shù)研究方法缺乏技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)分析,同時(shí)也有少數(shù)學(xué)者采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論探討顛覆性技術(shù)關(guān)聯(lián)預(yù)測。因此,本研究根據(jù)顛覆性技術(shù)演化路線構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以鏈路預(yù)測算法預(yù)測潛在關(guān)聯(lián)技術(shù)。鏈路預(yù)測是指通過已知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中未關(guān)聯(lián)的兩個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生鏈接的可能性。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于預(yù)測研究已經(jīng)有諸多嘗試。如米蘭等(2021)通過構(gòu)建新興技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)預(yù)測技術(shù)發(fā)展態(tài)勢;李冰等(2021)基于專利分析結(jié)果預(yù)測潛在合作伙伴。本研究借鑒這一做法,將專利分析結(jié)果作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建顛覆性技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并利用鏈路預(yù)測算法對技術(shù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行預(yù)測。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 研究框架

本文主要分析顛覆性技術(shù)整體演化趨勢以及前沿技術(shù)熱點(diǎn)發(fā)展態(tài)勢,并對其潛在關(guān)聯(lián)進(jìn)行預(yù)測,研究框架如圖1所示。

圖1 研究框架

2.2 研究方法

2.2.1 顛覆性技術(shù)整體演化趨勢

技術(shù)演進(jìn)研究通常被用于對已有技術(shù)發(fā)展態(tài)勢的總結(jié)與展望。本研究以專利文獻(xiàn)作為科技文本進(jìn)行知識挖掘,并繪制顛覆性技術(shù)整體演化路徑。目前,常用的專利數(shù)據(jù)庫包括IncoPat、Derwent,本研究選擇Derwent專利數(shù)據(jù)庫,并通過設(shè)定特定檢索詞獲取所需技術(shù)文本。

本研究主要通過主題分析模型LDA對專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析,LDA模型可將專利文獻(xiàn)中每篇文檔主題以概率分布的形式給出,并根據(jù)主題聚類相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)專利發(fā)布年份、發(fā)布量等指標(biāo),將所選專利文本劃分為不同階段,并對不同階段研究主題進(jìn)行聚類,最終以可視化形式展示。進(jìn)一步,繪制顛覆性技術(shù)整體演化路徑,根據(jù)不同年份標(biāo)注關(guān)鍵技術(shù)和衍生技術(shù),同時(shí)得到不同技術(shù)在專利文獻(xiàn)中所占權(quán)重。

2.2.2 顛覆性技術(shù)前沿技術(shù)熱點(diǎn)演化

在顛覆性技術(shù)發(fā)展態(tài)勢中,前沿技術(shù)尤其是近兩年技術(shù)發(fā)展情況對我國科技管理部門政策制定以及技術(shù)感知與預(yù)測起關(guān)鍵作用。因此,本研究利用LDA主題模型析出技術(shù)主題詞,利用后離散方法對前沿技術(shù)熱點(diǎn)演化趨勢進(jìn)行分析。后離散分析法由Griffith等[22]提出,主要通過計(jì)算主題詞在不同時(shí)間段的權(quán)重反映不同主題詞的重要性。作者假設(shè)Dt為文檔d在時(shí)間窗口t上的集合,即主題z在文檔d中出現(xiàn)的概率,時(shí)間窗口t上主題z的重要度如式(1)所示。

(1)

(2)

2.2.3 顛覆性技術(shù)關(guān)聯(lián)預(yù)測分析

本研究基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對顛覆性技術(shù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行預(yù)測,以顛覆性技術(shù)熱點(diǎn)作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生鏈接的可能性[24],這種預(yù)測既包含對未知鏈接的預(yù)測,也包含對未來鏈接的預(yù)測。根據(jù)節(jié)點(diǎn)疏密程度和節(jié)點(diǎn)中心度,使用Word2Vec算法對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)。

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)是底層要素,選擇網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)具有重要意義[25]。在以往研究中,周麗娜等[26]提出利用鄰接結(jié)構(gòu)熵確定超網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);李冰等(2021)根據(jù)專利文獻(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)度構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。基于此,本研究利用領(lǐng)接結(jié)構(gòu)熵原理、聚類主題及主題所屬時(shí)間維度構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將顛覆性技術(shù)領(lǐng)域中的近期研究熱點(diǎn)作為鄰近節(jié)點(diǎn)或核心節(jié)點(diǎn),將以往研究熱點(diǎn)作為偏遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)。對于技術(shù)節(jié)點(diǎn)選擇,將已繪制的顛覆性技術(shù)整體演化趨勢和前沿技術(shù)演變趨勢作為參考。

2.3 研究對象

本文研究主題為顛覆性技術(shù)演化與預(yù)測,根據(jù)顛覆性技術(shù)特征,研究對象需具備變革性、前瞻性、顛覆性、發(fā)展性等特質(zhì)。本研究廣泛調(diào)研各國開源科技情報(bào)、國家科技部門相關(guān)文件,最終選取量子信息技術(shù)作為研究對象。量子是現(xiàn)代物理的重要概念,量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合誕生了以量子計(jì)算、量子通信、量子測量為代表的量子信息技術(shù)。全球知名咨詢公司高德納(Gartner)指出,量子信息技術(shù)、區(qū)塊鏈和人工智能很有可能創(chuàng)造全新的商業(yè)模式[27]。中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會印發(fā)的《“十四五”國家信息化規(guī)劃》明確提出,要建立面向未來的量子信息設(shè)施和試驗(yàn)環(huán)境,加強(qiáng)量子信息等領(lǐng)域?qū)＠嘤爸R產(chǎn)權(quán)保護(hù),布局探索量子信息技術(shù)研究。新一輪量子革命的到來很有可能催生一系列顛覆性技術(shù),量子信息技術(shù)具有以下優(yōu)勢:①量子信息技術(shù)作為新興技術(shù)領(lǐng)域,各國研究熱度持續(xù)升溫,同時(shí)攻關(guān)難度較大,具有高投入性和不確定性等特質(zhì)。同時(shí),量子信息技術(shù)具有較強(qiáng)的前瞻性和顛覆性,研究成果涵蓋網(wǎng)絡(luò)、通信、工業(yè)等多個領(lǐng)域,能夠?qū)鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè)造成顛覆性影響,契合本文研究主題;②量子信息技術(shù)作為高交叉、高融合性技術(shù)領(lǐng)域,技術(shù)熱點(diǎn)眾多且變化迅速,便于展示整體演化路徑以及前沿技術(shù)熱點(diǎn)演化趨勢;③量子信息技術(shù)具有較高的包容性,極易與其它技術(shù)、行業(yè)產(chǎn)生潛在關(guān)聯(lián),因此挖掘其潛在關(guān)聯(lián)技術(shù)符合現(xiàn)實(shí)要求。

3 實(shí)證研究

3.1 量子信息技術(shù)數(shù)據(jù)來源

3.1.1 量子信息技術(shù)專利發(fā)布現(xiàn)狀

專利數(shù)據(jù)庫中的專利文獻(xiàn)包括專利名稱、專利申請人、申請地和機(jī)構(gòu)等多條信息,因此利用專利數(shù)據(jù)庫能夠全面展示量子信息技術(shù)在全球范圍內(nèi)的發(fā)展態(tài)勢。本研究以德溫特專利數(shù)據(jù)庫中的專利數(shù)據(jù)作為研究樣本,檢索量子信息技術(shù)專利信息。由數(shù)據(jù)庫可以看出,近年來,量子信息技術(shù)在全球范圍內(nèi)處于高熱狀態(tài),量子信息領(lǐng)域?qū)＠l(fā)布量持續(xù)上升,多數(shù)發(fā)達(dá)國家研究熱情持續(xù)高漲,并且未來幾年專利發(fā)布量有可能繼續(xù)保持上升趨勢,專利發(fā)布數(shù)量增長趨勢如圖2所示。在量子信息專利申請總量方面,美國專利申請量位居第一,中、德、英、日緊隨其后。在確定量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢后,本研究利用檢索詞限定、數(shù)據(jù)預(yù)處理等方法獲取所需專利信息。

圖2 量子信息領(lǐng)域?qū)＠l(fā)布量與發(fā)展趨勢

3.1.2 數(shù)據(jù)集構(gòu)建與預(yù)處理

本研究以“Quantum information”為檢索式,在德溫特專利數(shù)據(jù)庫中檢索2002—2021年公開的量子信息領(lǐng)域?qū)＠墨I(xiàn),共得到8 060條數(shù)據(jù),通過提取專利名稱、摘要等相關(guān)信息,完成數(shù)據(jù)收集。由于專利文獻(xiàn)具有較多分類符、機(jī)構(gòu)、申請人名稱,且重復(fù)詞較多,會影響后續(xù)技術(shù)主題識別,因此本研究對數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理,剔除停用詞(and、for等)、學(xué)術(shù)詞匯(novelty、use等)以及出現(xiàn)頻率雖高但對主題識別沒有意義的高頻干擾詞(quantization等),最終得到7 062條數(shù)據(jù)。

3.2 量子信息技術(shù)整體演化趨勢

本研究利用LDA主題模型對2002—2021專利文獻(xiàn)主題進(jìn)行聚類。由于專利文獻(xiàn)年份跨度較大,所以根據(jù)中國信息通信研究院的研究報(bào)告對專利文獻(xiàn)進(jìn)行劃分。中國信息通信研究院在2019年發(fā)布的《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用報(bào)告》指出,2012年之前全球量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)＠暾埡褪跈?quán)態(tài)勢整體比較平穩(wěn),專利申請主要來自美國和日本。2012年以后,由于歐美等科技大國開始在量子領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模投資和研發(fā),量子領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量呈現(xiàn)大幅增長。隨著量子計(jì)算從理論走向現(xiàn)實(shí),全球?qū)＠l(fā)表量也保持增長態(tài)勢,尤其是2018年前后,量子領(lǐng)域?qū)＠l(fā)表數(shù)量出現(xiàn)激增。因此,本研究將量子信息技術(shù)發(fā)展周期劃分為平穩(wěn)期(2002—2011年)、發(fā)展期(2012—2017年)、爆發(fā)期(2018—2021年)3個階段。

本研究根據(jù)不同周期繪制量子信息技術(shù)演化路徑,如圖3～圖5所示。圖中橫坐標(biāo)表示年份,線條表示該年份出現(xiàn)的量子技術(shù)研究熱點(diǎn)。方塊大小代表全球?qū)υ撗芯繜狳c(diǎn)的關(guān)注度,方塊越大表示全球?qū)υ摷夹g(shù)關(guān)注度越高,方塊大小取決于該技術(shù)關(guān)鍵詞在所有專利文獻(xiàn)中所占權(quán)重。本研究使用TF-IDF算法評估一個字詞相對于一個文件集或一個語料庫中一份文件的重要程度。3個階段量子信息技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)如下演化特征:

圖4 發(fā)展期(2012-2017年)量子信息技術(shù)主題演化路徑

圖5 爆發(fā)期(2018-2021年)量子信息技術(shù)主題演化路徑

(1)平穩(wěn)期(2002—2011年):量子信息技術(shù)發(fā)展相對平緩,主題較為分散,沒有突出的主題詞。由于人類邁入21世紀(jì),一系列新興技術(shù)的產(chǎn)生使人類對微觀世界的理解以及觀測調(diào)控能力顯著提升,世界各國開始關(guān)注量子科技,如日本內(nèi)閣府、文部省、國家信息通信技術(shù)研究院等機(jī)構(gòu)陸續(xù)發(fā)布多項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃。這一階段,各國對量子信息技術(shù)領(lǐng)域的研究尚處于探索階段,相關(guān)理論不夠完善,專利數(shù)量較少,在計(jì)算處理能力、信息安全保障、測量精度極限等方面面臨瓶頸,距離實(shí)用化還有很大一段距離。該時(shí)期出現(xiàn)的研究方向主要包括量子通訊(Quantum Communication)、量子光學(xué)(Quantum Optics)、編解碼(Encoing、Dencoing)、區(qū)塊鏈(Block Chain)等。

(2)發(fā)展期(2012—2017年):研究領(lǐng)域有所擴(kuò)展,出現(xiàn)多個較為明顯的主題詞,同時(shí)研究主題呈多樣化發(fā)展趨勢。在該階段,除平穩(wěn)期出現(xiàn)的研究方向外,還包括量子點(diǎn)發(fā)光二極管(Quantum Dot Light Emitting)、量子線路圖(Quantum Circuit Diagram)、量子材料(Quantum Material)等。該階段各國紛紛加大在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的布局規(guī)劃和投資力度。如英國在2014年投資約3.52億美元建立《國家量子技術(shù)規(guī)劃(一期)》項(xiàng)目,并于2015年正式啟動“國家量子技術(shù)計(jì)劃”,建立傳感器與計(jì)時(shí)中心,同年發(fā)布《英國量子技術(shù)路線圖》,覆蓋原子鐘、量子傳感器等7項(xiàng)重要技術(shù);2016年歐盟投資約11.12億美元成立《“量子宣言”旗艦計(jì)劃》。在該階段,量子信息技術(shù)研究與應(yīng)用成為全人類科技探索和關(guān)注焦點(diǎn)之一,并開展了分領(lǐng)域、分階段研究,因此專利數(shù)量顯著增長。

(3)爆發(fā)期(2018—2021年):技術(shù)主題更加鮮明,研究熱點(diǎn)日趨穩(wěn)定。美國在2018年頒布《國家量子行動計(jì)劃》,2018—2021年量子領(lǐng)域投資不斷加大,同期美國能源部還宣布建設(shè)由其下屬國家實(shí)驗(yàn)室牽頭的五大聯(lián)合研究中心,用以開展量子信息科學(xué)研究、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)與合作。此階段研究熱點(diǎn)包括量子通信網(wǎng)絡(luò)(Quantum Communication Network)、量子點(diǎn)技術(shù)(Quantum Dots)、量子計(jì)算機(jī)(Quantum Computer)、量子點(diǎn)(Quantum Dot)等領(lǐng)域。同時(shí),還出現(xiàn)新的研究熱點(diǎn),如量子比特(Quantum Bit)、量子泵(Ion Trap)等,量子信息網(wǎng)絡(luò)逐步成為量子科技領(lǐng)域探索的前沿。

3.3 量子信息技術(shù)前沿技術(shù)熱點(diǎn)演變

量子信息技術(shù)是高融合、高交叉的新興技術(shù),底層技術(shù)眾多,新興研究熱點(diǎn)產(chǎn)生迅速,為探討量子信息領(lǐng)域前沿發(fā)展態(tài)勢,對爆發(fā)期(2018—2021年)量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行分析。由于該階段時(shí)間跨度較大,因此本研究利用后離散方法,選取t1為整個時(shí)間窗口的前一階段(2018—2019年),選取t2為整個時(shí)間窗口的后一階段(2021—2022年).根據(jù)LDA主題模型得到的技術(shù)熱點(diǎn),利用Tf-idf算法計(jì)算技術(shù)熱點(diǎn)在兩個階段的不同權(quán)重。2018—2021年部分技術(shù)熱點(diǎn)權(quán)重如表1所示。

表1 2018—2021年量子信息部分技術(shù)熱點(diǎn)權(quán)重

本研究對上述技術(shù)熱點(diǎn)趨勢進(jìn)行分析,根據(jù)式(2)將技術(shù)熱點(diǎn)歸為3類:平緩型技術(shù)熱點(diǎn)、新興型技術(shù)熱點(diǎn)和衰退型技術(shù)熱點(diǎn),如表2所示(技術(shù)熱點(diǎn)省略Quantum)。由表3可知,在t1與t2時(shí)間段內(nèi),量子信息領(lǐng)域研究熱點(diǎn)發(fā)生較大變化,如量子模擬、量子通信成為上升型研究熱點(diǎn)。在中信所研究報(bào)告中,量子計(jì)算、量子通信與量子測量均為2020年、2021年的主要研究方向。同時(shí),區(qū)塊鏈、超導(dǎo)成為衰退型技術(shù)熱點(diǎn)。主要是因?yàn)檫@些技術(shù)領(lǐng)域存在較高壁壘,短期難以突破,因此專利量上升幅度不大。在平緩性技術(shù)主題中,量子系統(tǒng)、量子加密技術(shù)始終是研究熱點(diǎn)。

表2 2018-2021年量子信息領(lǐng)域技術(shù)研究趨勢

表3 量子計(jì)算機(jī)相似度計(jì)算結(jié)果

3.4 量子信息技術(shù)潛在關(guān)聯(lián)預(yù)測

3.4.1 底層邏輯

首先,根據(jù)量子信息技術(shù)整體演化路徑選擇復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),以專利發(fā)布年限和發(fā)布量作為階數(shù)構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),采用算法對其微調(diào)、重構(gòu)并對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充。對于最終得到的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),主要采用鏈路預(yù)測相關(guān)指標(biāo)對顛覆性技術(shù)進(jìn)行預(yù)測。

3.4.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

以量子計(jì)算機(jī)(Quantum Computer)為例,量子計(jì)算機(jī)技術(shù)在2020年專利申請量較大,故以其為核心節(jié)點(diǎn),以2020年與量子計(jì)算機(jī)相關(guān)聯(lián)的技術(shù)為一階路徑節(jié)點(diǎn),以2019年、2021年與量子計(jì)算機(jī)(Quantum Computer)相關(guān)的底層技術(shù)與新興技術(shù)為二階路徑節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)與量子計(jì)算機(jī)技術(shù)本身存在直接關(guān)聯(lián),因此節(jié)點(diǎn)間存在邊連接。而由二階路徑節(jié)點(diǎn)引發(fā)的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)為三階路徑節(jié)點(diǎn),三階路徑節(jié)點(diǎn)與量子計(jì)算機(jī)(Quantum Computer)不存在節(jié)邊關(guān)聯(lián),如圖6所示。可以看出,量子計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中間位置,解碼編碼技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、量子點(diǎn)技術(shù)是與之產(chǎn)生直接邊關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn),而量子光譜、量子通訊則是與之產(chǎn)生間接邊關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)。因此,可不斷調(diào)整和關(guān)聯(lián)與之關(guān)系較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn),并對節(jié)點(diǎn)中未產(chǎn)生邊關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)鏈路進(jìn)行預(yù)測。

圖6 量子技術(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.4.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重構(gòu)

本文構(gòu)建量子技術(shù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖6),得到2020年前后以量子計(jì)算機(jī)為核心節(jié)點(diǎn)的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)。如果以近20年技術(shù)演化路徑作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),會存在節(jié)點(diǎn)密度大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。因此,本研究保留爆發(fā)期(2018—2021年)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。一方面,該階段專利申請量大、數(shù)量多,可以得到較為全面地預(yù)測結(jié)果;另一方面,2018—2021年專利申請時(shí)期較為臨近,得到的預(yù)測結(jié)果也較為前沿。同時(shí),本研究利用詞向量訓(xùn)練對2018年之前的技術(shù)節(jié)點(diǎn)相似度進(jìn)行分析,將相似度較高的節(jié)點(diǎn)予以保留,提高技術(shù)預(yù)測不確定性,根據(jù)相似性結(jié)果對照鏈路預(yù)測結(jié)果,以提高技術(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確性和全面性。首先,將預(yù)處理專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練的中文語料庫,之后使用gensim中的word2vec方法訓(xùn)練中文語料,將詞向量維度設(shè)置為100,詞向量間距離設(shè)置為5,HS值設(shè)置為1,計(jì)算詞向量的最小詞頻為1,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行詞向量訓(xùn)練。其次,將量子計(jì)算機(jī)作為關(guān)鍵詞,利用word2vec方法對專利文獻(xiàn)中與量子計(jì)算機(jī)相關(guān)的詞語相似度進(jìn)行匹配。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,對量子計(jì)算機(jī)和量子通訊相似性進(jìn)行匹配,得到數(shù)據(jù)為0.856,可見兩者在語料中關(guān)聯(lián)程度較高,經(jīng)過多次訓(xùn)練測試,數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確,以此確定詞向量訓(xùn)練結(jié)果具有一定說服力。最后,對量子計(jì)算機(jī)在2018年之前的技術(shù)節(jié)點(diǎn)相似性進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示,并將這些節(jié)點(diǎn)作為重構(gòu)后的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步,根據(jù)圖6構(gòu)建的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),結(jié)合表3相似度分析結(jié)果,對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次重構(gòu),減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量以進(jìn)行簡便運(yùn)算,并求出二階路徑、三階路徑和四階路徑,重新建構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 減少技術(shù)節(jié)點(diǎn)后的量子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.4.4 量子信息技術(shù)關(guān)聯(lián)預(yù)測

本文根據(jù)已構(gòu)建的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),利用鏈路預(yù)測相關(guān)方法對量子信息技術(shù)熱點(diǎn)進(jìn)行潛在關(guān)聯(lián)預(yù)測。鏈路預(yù)測是對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的邊進(jìn)行預(yù)測,即分析原本不相連的兩個節(jié)點(diǎn)是否存在潛在邊相連。在眾多鏈路預(yù)測指標(biāo)中,本研究選擇Kata相似度指標(biāo)對技術(shù)節(jié)點(diǎn)間的相似性進(jìn)行識別和預(yù)測,Kata指標(biāo)運(yùn)算的關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)和路徑分析[28],路徑階數(shù)以CNxy表示,如式(3)所示。

CNxy=|N(x)∩N(y)|

(3)

式(3)中,CNxy表示兩個技術(shù)節(jié)點(diǎn)間的路徑數(shù),如Quantum Computer(量子計(jì)算機(jī))與Encryption (加密技術(shù))之間為一階路徑,Quantum Computer(量子計(jì)算機(jī))與Block Chain (區(qū)塊鏈)之間為二階路徑、Quantum Imaging(量子成像)與Block Chain (區(qū)塊鏈)之間為三階路徑。對不同路徑階數(shù)設(shè)置不同權(quán)重,三階路徑權(quán)重α設(shè)置為0.2,四階路徑β權(quán)重設(shè)置為0.4,五階路徑γ權(quán)重設(shè)置為0.5,對于超過五階路徑的節(jié)點(diǎn)權(quán)重,在四階路徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行累加,得到式(4)。

Sxy=pxy(1)+αpxy(2)+βpxy(3)+γpxy(4)

(4)

對于重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以Encryption、Quantum Communication Network、Quantum Dots、Ion Trap、Quantum Computer、Quantum Imagine、Superconductivity、Block Chain、Quantum Teleportation、Quantum Detection、Parameterized Quantum Circuit、Pulse為節(jié)點(diǎn)1～12依次排列,對其路徑數(shù)進(jìn)行匯總,如表4所示。本文利用Kata指標(biāo)計(jì)算節(jié)點(diǎn)1,即Encryption節(jié)點(diǎn)與其它技術(shù)節(jié)點(diǎn)之間的相似性。

表4 節(jié)點(diǎn)相似度指標(biāo)

根據(jù)Kata指標(biāo)相似性計(jì)算,發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)Encryption 與 Quantum Communication Network、Quantum Imagine、Parameterized Quantum Circuit、Quantum Detection等技術(shù)密切關(guān)聯(lián)。對比Word2vec的結(jié)果,Encryption與Quantum Communication Network同樣在語義上具有高度相似性。對于該結(jié)果,本研究再次利用Adamic-Adar系數(shù)對相似性結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,Adamic-Adar系數(shù)[29]在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中是以節(jié)點(diǎn)密度大小凸顯節(jié)點(diǎn)重要性的一種驗(yàn)證方式。計(jì)算Encryption 與 Quantum Communication Network在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的權(quán)重,節(jié)點(diǎn)占度越小,說明該節(jié)點(diǎn)在共同鄰居中所占權(quán)重越大,對共同鄰居的影響作用也就越顯著。經(jīng)計(jì)算,Encryption 和 Quantum Communication Network的AA值為0.793 54,同樣具有一定相似性。因此,本研究認(rèn)為在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,Encryption 與 Quantum Communication Network極有可能產(chǎn)生邊連接,在量子信息發(fā)展領(lǐng)域Encryption 與 Quantum Communication Network的關(guān)聯(lián)發(fā)展成為一種趨勢。同樣,Encryption 與 Quantum Imagine、Parameterized Quantum Circuit、Quantum Detection在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在未知邊連接的可能性。就Encryption 與 Quantum Communication network而言,本研究對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn),日本總務(wù)省為實(shí)現(xiàn)新一代“量子通信加密”技術(shù)正在努力。在歐美地區(qū),北約網(wǎng)絡(luò)安全中心(NCSC)也因?yàn)榱孔庸魡栴}而加強(qiáng)量子加密算法與量子通信網(wǎng)絡(luò)研究。綜上所述,量子通信網(wǎng)絡(luò)與量子加密算法成為未來重要發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

4.1 政策建議

中共十九大報(bào)告提出:“突出關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新,為建設(shè)科技強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國、航天強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、交通強(qiáng)國、數(shù)字中國、智慧社會提供有力支撐。”為實(shí)現(xiàn)高水平顛覆性技術(shù)領(lǐng)域攻關(guān)以及高水平科技自立自強(qiáng),本文利用專利分析法和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對顛覆性技術(shù)進(jìn)行分析與預(yù)測。根據(jù)研究結(jié)果,提出以下幾點(diǎn)政策建議:

(1)顛覆性技術(shù)演化分析是實(shí)現(xiàn)技術(shù)預(yù)測的前提和基礎(chǔ)。顛覆性技術(shù)具有預(yù)兆性、不確定性、發(fā)展性等特征,要實(shí)現(xiàn)技術(shù)預(yù)測必須從宏觀和微觀視角出發(fā),掌握技術(shù)發(fā)展整體態(tài)勢。從宏觀視角出發(fā),要準(zhǔn)確描述各國對顛覆性技術(shù)的認(rèn)知和理解,判斷技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和整體趨向,從整體上把控技術(shù)投入和研發(fā)。從微觀角度出發(fā),要對顛覆性技術(shù)創(chuàng)新角度、創(chuàng)新點(diǎn)有所感知,對于新出現(xiàn)的技術(shù)熱點(diǎn),如量子模擬、量子通信技術(shù)等,政府應(yīng)給予充足的資金支持,建立完善的新興產(chǎn)業(yè)科技支撐機(jī)制,對依靠新興技術(shù)建立的初創(chuàng)企業(yè)給予政策傾斜,如提供低息貸款服務(wù),解決資金問題,合理配置各類資源,形成區(qū)域戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)鏈,為新興技術(shù)發(fā)展提供支撐。

(2)顛覆性技術(shù)關(guān)聯(lián)預(yù)測是占據(jù)科技高地、實(shí)現(xiàn)顛覆性技術(shù)突破的關(guān)鍵。本研究利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行技術(shù)預(yù)測,發(fā)現(xiàn)未來新興技術(shù)可能是多項(xiàng)關(guān)聯(lián)技術(shù)的融合,因此要對潛在關(guān)聯(lián)技術(shù)有所預(yù)知,加強(qiáng)技術(shù)關(guān)聯(lián)弱信號感知。通過關(guān)聯(lián)技術(shù)研發(fā)與預(yù)測,以點(diǎn)到線,連線成面,形成由關(guān)聯(lián)技術(shù)輻射的技術(shù)群落,從而實(shí)現(xiàn)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新,進(jìn)而占據(jù)未來科研高地。

(3)準(zhǔn)確識別顛覆性技術(shù)不同熱點(diǎn)發(fā)展態(tài)勢。顛覆性技術(shù)是由諸多技術(shù)點(diǎn)貫通而成的技術(shù)領(lǐng)域,不同技術(shù)點(diǎn)研發(fā)趨勢不同。在實(shí)驗(yàn)過程中,量子信息技術(shù)領(lǐng)域被劃分為平緩型、衰退型、上升型3類技術(shù)熱點(diǎn),對于衰退型技術(shù)熱點(diǎn),本文認(rèn)為應(yīng)建立知識聯(lián)盟,激發(fā)衰退型技術(shù)熱點(diǎn)潛力。衰退型技術(shù)一般短期內(nèi)難以突破,導(dǎo)致研究遲緩,如區(qū)塊鏈技術(shù),但其蘊(yùn)含著巨大潛力。對于這類技術(shù),應(yīng)該建立軍政產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟,形成多主體、多路徑、多模式知識生態(tài)系統(tǒng),促進(jìn)各主體間知識流動,讓衰退型技術(shù)熱點(diǎn)重新煥發(fā)生機(jī),解決我國目前“卡脖子”難題。對于平緩型技術(shù)熱點(diǎn),如量子系統(tǒng)、量子加密技術(shù),應(yīng)將其始終作為研究重點(diǎn),通過制定科學(xué)的發(fā)展規(guī)劃,對企業(yè)經(jīng)營管理進(jìn)行全面分析,讓技術(shù)深入到組織運(yùn)營管理全過程。對于上升型技術(shù)熱點(diǎn),我國應(yīng)對技術(shù)發(fā)展前景進(jìn)行分析,形成技術(shù)前景畫像,避免“隨波逐流”,陷入科技黑洞。

4.2 不足與展望

本文存在以下不足:①專利分析方法雖然能夠體現(xiàn)科技前沿成果,但部分領(lǐng)域難以攻關(guān)導(dǎo)致相關(guān)專利數(shù)量較少,因此分析效果不夠精確,這是專利分析的主要缺陷;②利用word2vec方法對節(jié)點(diǎn)相似性進(jìn)行描述,但word2vec本身存在語料庫不夠大、難以處理一詞多義等問題。因此,未來需要嘗試更加合理的節(jié)點(diǎn)選擇方法,搭建更完善的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高顛覆性技術(shù)預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。未來應(yīng)選擇在關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)或年份引入專家調(diào)查法,將機(jī)器智慧與專家智慧相結(jié)合,根據(jù)節(jié)點(diǎn)權(quán)重,利用社會網(wǎng)絡(luò)分析法對研究結(jié)果進(jìn)行多維度驗(yàn)證。