全球量子信息技術高水平基礎研究人才分布特征與研究主題分析

李 兵 徐 輝 車 堯 秦全勝 周 洪

（1.科學技術部科技人才交流開發服務中心，北京 100045；2.中國科學技術信息研究所，北京 100038；3.中國科學院武漢文獻情報中心，湖北武漢 430071；4.中國科學院大學經濟與管理學院信息資源管理系，北京 100191）

以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術，正成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域[1-5]。在全球競爭背景下，發達國家高度重視量子信息技術，紛紛制定國家戰略、規劃推動相關技術發展[6-7]，如美國制定《量子信息科學和技術發展規劃》《國家量子倡議法案》，歐盟制定“歐洲量子技術旗艦計劃”，英國發布《量子技術國家戰略》[8-9]等。我國也高度重視量子信息技術的發展，在國家相關科技規劃中將其作為重點突破方向[10-12]。

隨著量子信息技術的快速發展和應用需求的增加，相關領域人才變得越來越重要[13]，特別是提升了基礎研究水平、推進了原始創新、提供了商業化支持的高水平基礎研究人才。目前，已有學者開展了多方面的量子領域人才研究。一是關注量子人才政策，如葉珍珍等[9]重點分析了歐盟和美國的量子重大戰略部署背后的相關科學家，張翼燕[14]、田芬[15]研究了美國等國家的量子人才政策和戰略舉措。二是關注量子人才的培養，如Aiello等[16]探討了量子教育的挑戰和應對，曹遠龍等[17]提出“互聯網+量子技術”復合型人才培養模式，鄭海榮等[18]、張成園等[19]、王子武等[20]從量子教學出發探討多途徑的人才培養模式。然而，當前量子領域人才研究總體較少，直接針對量子信息技術方面的人才研究更為鮮見。

高水平基礎研究人才的學術影響力較大，往往可以帶動整個領域的發展。充分了解全球量子信息技術領域的人才情況，對于把握未來技術和產業發展趨勢，以及制定相應的戰略規劃和政策支持，具有重要意義。本文將采用全球“高被引科學家”名單和量子信息技術領域論文數據進行分析，探究這個領域高水平人才的分布特征及研究主題，如國家分布、學科交叉和機構多元化等，并基于分析結果，為制定量子信息技術人才的引進、使用、培養和合作方面政策提出意見和建議，以期支撐我國走向量子信息技術人才強國。

1 研究設計與方法

1.1 研究對象的選擇

自2014年開始，科睿唯安（Clarivate Analytics）每年會通過Essential Science Indicators（ESI）發布“高被引科學家”名單，遴選全球最具影響力的科研精英。2018年，“高被引科學家”名單開始新增交叉學科領域。一般而言，高被引科學家是戰略科技人才的代表，其發表的研究成果具有很強的原創性和顛覆性，可以被視為引領未來發展方向的重要科技力量[21]。鑒于量子信息技術領域交叉學科的特點，本文分析了入選2019-2023年ESI “高被引科學家”名單的量子信息技術領域科學家，篩選得到發文量在5篇以上的科學家，作為研究這個領域高水平基礎研究人才的對象。

1.2 數據獲取及預處理

在論文數據方面，本文使用Web of Science核心庫 SCI-E、SSCI、A&HCI，獲取量子信息技術領域相關論文。檢索式從量子通信、量子計算、量子精密測量三大領域著手，圍繞相關關鍵詞來構建。數據檢索時間為2023年3月4日，語言選擇英語（English），文獻類型為期刊論文（Article），最終得到量子信息技術領域論文80 617篇。

量子通信檢索式為TS=(“quantum bit*” OR “qubit*” OR “quantum communication*” OR “quantum key*” OR “quantum cryptograph*” OR “quantum encryption*” OR “quantum secur*” OR “quantum signature*” OR “quantum teleportation*” OR “quantum network*” OR “quantum internet*” OR “quantum protocol*” OR “quantum switch*”)。

量子計算相關檢索式為TS=(“quantum comput*” OR “quantum informat*” OR “quantum algorithm*” OR “quantum data” OR “quantum machine” OR “quantum software*” OR “quantum processor*” OR “quantum simulation” OR “quantum processor*” OR “quantum chip*” OR “quantum memor*” OR “quantum circuits” OR “quantum device*” OR “quantum entanglement*” OR “quantum code*” OR “quantum counting*”)。

量子精密測量相關檢索式：TS=(“quantum metrolog*” OR “quantum measur*” OR “quantum sens*” OR “quantum perceptron*” OR “quantum detector*” OR “quantum clock*” OR “atomic clock*” OR “quantum gravimetry*” OR “atomic interference gravimeter” OR “atomic interferometer*” OR “atomic sensor” OR “optical magnetometer*” OR “atomic gyroscop*” OR “quantum gyroscop*”)。

“高被引科學家”名單和量子信息技術領域論文所提供的數據無法直接對應，需要進一步對數據進行預處理和匹配。首先，對科學家及其所屬機構的名稱進行規范化處理，以保證科學家的唯一性和隸屬機構名稱的統一。然后，將科學家所屬機構的國家區域信息加入數據中。最后，構建科學家及其所屬機構的新字段，用于匹配“高被引科學家”名單和量子信息技術領域論文。

1.3 數據分析方法

在數據預處理和匹配后，本文采用統計分析方法，對量子信息技術領域高水平基礎研究人才的國家（地區）分布、增長趨勢、學科領域分布、隸屬機構等進行研究。同時，使用文獻計量分析方法對量子信息技術領域高水平基礎研究人才的研究成果的主題分布、主題趨勢、主題地圖、合作網絡等進行分析。但需要注意的是，由于部分科學家可能入選兩個或更多領域，“高被引科學家”名單和量子信息技術領域論文中的科學家有重復，因此統計分析時采用人次進行分析。數據統計分析和文獻計量分析均使用了R語言和bibliometrix軟件包[22]。

2 全球量子信息技術高水平基礎研究人才分布特征分析

目前，入選2019-2023年的ESI “高被引科學家”名單且在量子信息技術領域發文5篇以上的高水平基礎研究人才共有137位。這些科學家來自全球18個國家或地區，涉及80個機構，分布在6個學科領域。

2.1 國家（地區）分布分析

2022年，美國量子信息技術領域高水平基礎人才數量共有40人次，占比達44.44%，遠高于全球其他國家。中國量子信息技術領域高水平基礎研究人才共有16人次，占比達17.78%，位居全球第二。位列前10名的國家是德國（6人次）、日本（6人次）、奧地利（4人次）、英國（4人次）、澳大利亞（2人次）、瑞士（2人次）、丹麥（2人次）、新加坡（1人次），見表1。高水平基礎研究人才主要集中在中美兩國，總人次占比達到62.22%，頂尖人才的集中度明顯。

表1 2019-2022年量子信息技術領域高水平基礎研究人才的國家（地區）排名

表2 2019-2022年量子信息技術領域高水平基礎研究人才的學科領域分布 單位：人次

從2019-2022年的年度數據來看，量子信息技術領域高水平基礎研究人才數量在100人次左右波動，2021年最高達到104人次，而在2022年又降到90人次。其中，美國人才數量為40～45人次；中國人次數量略有增長，2021年最高增長到18人次，占比呈現上升趨勢；德國人次數量呈現下降趨勢，從2019年的11人次下降到2022年的6人次。日本、奧地利、英國、澳大利亞、瑞士的人才數量變化不大。

近4年來，中國進入高被引科學家清單的一共有21人。其中，清華大學有7人，中國科技大學有3人，北京大學、南京大學和上海交大各有2人，中國科學院、電子科技大學、武漢大學、湖南大學、北京理工大學各有1人。主要研究方向包括量子信息技術、量子光學、量子化學和量子材料等領域。從發文數量來看，中國科技大學的潘建偉、陸朝陽，北京大學的龔旗煌，以及南京大學的肖敏等科學家發文較多。

2.2 學科領域分布分析

綜合2019-2022年“全球高被引科學家”名單，發現量子信息技術領域高水平基礎研究人才數量大多集中在物理領域，波動幅度為59人至69人次。雖然來自交叉學科領域的人才數量有所增長，從2019年的19人次增加到2021年的28人次，但在2022年又降至19人次。此外，量子信息技術領域的高水平基礎研究人才還涉及計算機科學、化學、材料科學、工程學等多個領域。

從學科領域的國家對比分析來看，量子信息技術領域的高水平基礎研究人才主要集中在中美兩國，較多集中在物理領域、交叉學科領域，見表3。從表3可以看到，美國高水平人才隊伍規模遠高于其他國家，約占高被引科學家人數的四成多，處于全球領先地位，主要分布在物理、交叉學科等領域，其中物理領域的高水平人才數量達到53人次，遠高于其他國家；交叉學科領域的高水平人才數量達到17人次，位居全球第一。中國的高水平人才全球占比為15%～17%，總體呈現上升趨勢，主要分布在交叉學科、物理、化學等領域，其中物理領域的高水平人才達到10人次，位居全球第二，但與美國物理領域人才規模相比，還存在較大差距；交叉學科領域的高水平人才達到12人次，位居全球第二，略低于美國；在化學領域的高水平人才數量略高于美國。此外，德國的高水平人才主要分布在物理和交叉學科，日本的高水平人才主要分布在物理和材料科學領域，奧地利的高水平人才主要分布在物理領域。

表3 量子信息技術領域主要國家的高水平基礎研究人才的學科領域分布 單位：人次

2.3 隸屬機構分布分析

量子信息技術領域的高水平基礎研究人才主要集中在大學和研究機構，企業所屬高水平人才還不多。高水平基礎研究人才分布的80家機構中，主要是高校（66家）和科研機構（10家）。此外還包括4家企業。從機構擁有的高水平基礎研究人才數量來看，哈佛大學排名第一，擁有11位；清華大學排名第二，擁有7位；麻省理工學院、加利福尼亞大學圣芭芭拉分校排名第三，各擁有5位。加利福尼亞理工學院、斯坦福大學、耶魯大學、奧地利科學院、中國科學技術大學等機構的高水平基礎研究人才數量在3位及以上，見表4。

表4 量子信息技術領域主要國家的高水平基礎研究人才數量較多的機構

量子信息技術領域擁有高水平基礎研究人才的企業較少，大多為美國科技巨頭，如谷歌公司（3位）、微軟公司（1位）、IBM公司（1位），還有英國的元素六公司（1位）。美英企業擁有高水平人才主要有兩條路徑：一是從高校引進高水平人才，如加利福尼亞大學圣芭芭拉分校John Martinis加入谷歌量子人工智能實驗室、哥本哈根大學Charles M.Marcus加入微軟公司人工智能研究小組；二是企業自己培養的高水平人才，如IBM公司的Jay M.Gambetta、元素六公司的Matthew Markham。

3 全球量子信息技術高水平基礎研究人才研究主題分析

3.1 論文指標對比分析

高水平基礎研究人才的論文研究內容一般屬于這個學科的重點基礎研究領域。量子信息技術領域137位高水平基礎研究人才發表的相關論文有3 175篇，約占這個領域論文總量80 617篇的3.94%，如表5所示。近年來，高水平基礎研究人才的論文年增長率、國際合作率、篇均作者數量、篇均被引次數等指標均顯著高于該領域的評價水平。這一結果表明，高水平基礎研究人才更加注重國際合作和大團隊合作，并具有顯著的高影響力。同時，觀察到跨機構、跨國家的大范圍合作網絡也在逐步形成，為量子信息技術領域的發展注入了新動力。

表5 量子信息技術領域論文及高水平基礎研究人才發表論文的分析

具體而言，高水平基礎研究人才相關論文的年增長率為16.44%，高于量子信息技術領域的6.32%；高水平基礎研究人才相關論文高度重視國際合作，論文的國際合作率高達61.76%，遠高于領域整體水平31.28%；高水平基礎研究人才高度重視與更多的研究人員合作開展研究，論文篇均作者達到7.78位，比領域的平均水平4.12位多出近4位；高水平基礎研究人才相關論文篇均被引次數達到79.21次，遠高于儲能領域的平均水平29.65次，研究成果具有更高的學術影響力。

從期刊來源來看，高水平基礎研究人才的論文較多發表在《Physical Review A》《Physical Review Letters》《Physical Review B》《Nature》《New Journal of Physics》《Nature Communications》等期刊上，見表6?！禤hysical Review A》發文量最多，達到471篇；其次是《Physical Review Letters》，發文量達到445篇。高水平基礎研究人才通常選擇影響因子、湯森路透JCR分區等指標較高的期刊發表論文，但也會選擇《Physical Review A》《Physical Review B》《New Journal of Physics》等期刊指標并不突出的期刊發表論文。這些期刊的辦刊國家主要為美國、英國，我國主辦期刊的高水平基礎研究人才的發文數量還較少。

3.2 論文主題分析

根據論文中的關鍵詞，構建量子信息技術領域高水平基礎研究人才相關論文研究的主題圖，見圖1。圖1顯示了論文中關鍵詞出現的次數及它們之間的關聯程度。點的大小代表論文數量，圓形所在位置代表對應的研究主題。相關研究大致可以分為五大主題：①量子態研究（圖中間部分），包括量子比特、原子、量子相干、量子退相干、量子躍遷等；②量子糾纏研究（圖下部分），包括量子光源、計算、超導電路等；③量子通信（圖左下部分），包括量子秘鑰分布、量子隱形傳態、密碼學、原子系統等；④光譜學、電子自旋、共振、量子鉆石等（圖右下部分）；⑤量子計算、費米子、任意子等（圖右上部分）。其中，量子光源研究是當前的重要研究主題，量子計算、費米子、任意子是新興研究主題，分子束外延、量子束縛態、量子優越性等是當前的研究熱點。

圖1 高水平基礎研究人才相關論文研究的主題

本文采用共詞分析，研究了量子信息技術領域的高水平基礎研究人才相關論文的主題集群，并根據中心度和密度將這些集群進行分類。其中，中心度（centrality）表示一個集群與其他集群之間的互動程度，密度（density）則表示一個集群內部的凝聚力。利用這些指標構建主題地圖，橫軸代表中心度，縱軸代表密度，主題地圖可以分為4個象限，即動機主題（motor themes）、基礎主題（basic themes）、新興或衰退的主題（emerging or decline themes）、利基主題（niche themes），如圖2所示。集群的大小與所包含詞的數量多少成正比，集群標簽與集群中最常使用的詞相對應。本文采用關鍵詞plus作為分析單位，與作者關鍵詞相比，這些詞的數量更多，且聚類采用了Walktrap算法。

圖2 高水平基礎研究人才相關論文的主題地圖

通過主題地圖分析發現，量子光源研究位于動機主題象限，中心度和密度均較高，是這個領域中一個重要且發展較好的主題。這個主題可能是定期或長期開展的研究，并與其他主題密切相關。量子糾纏和量子態也位于基礎主題象限，中心度較高，但密度較低。這些主題可能是發展較久的主題，在動機主題象限占據了一席之地，但后來被邊緣化了。量子計算、費米子和任意子位于新興或衰退的主題象限，主題密度低，中心度也低。這些主題可能是當前的新興研究方向。量子比特、量子相干性和量子鉆石位于利基主題象限，具有較高的密度，但沒有重要的外部聯系。這些主題是當前發展良好的主題，但對領域的重要性較低。

從主題趨勢來看，量子信息技術領域高水平基礎研究人才相關論文近期關注的熱點包括分子束外延、量子束縛態、量子優越性、超導性、重整化群、量子自旋、量子比特等，如圖3所示。其中，分子束外延與半導體相關，研究主要包括半導體-超導納米線分子束外延可控制備、PbTe-Pb混合納米線的制備和數值模擬、InAs和InSb表面的電子結構分析、混合納米線表面積聚層中的安德烈夫干擾研究等；量子束縛態的研究主要包括異常點的自發發射增強的驗證、有序和可調控的馬約拉納零能模格點陣列、錳/鈮(110)中反鐵磁性和超導性的共存、非微擾波導量子電動力學、超導庫侖能隙中的激發反應等；量子優越性的研究主要包括60量子比特24周期隨機電路采樣的量子計算優勢、50個光子玻色取樣的基準測試、50量子比特的量子電路群的隨機性估計、可調耦合超導量子比特中實現全微波脈沖的CZ門等；超導性的研究主要包括摻雜絕緣體中激子效應產生的自旋三聯體超導性、高TC超導體中量子相變的高諧波光譜分析、雙層石墨烯中的門控電子干涉儀等。同時，電荷量子比特、受控碰撞、宏觀量子態、糾纏光子、納米力學諧振器等相關主題的研究出現減少。

圖3 高水平基礎研究人才相關論文的主題趨勢

3.3 論文合作分析

合作是科學研究的重要組成部分，廣泛的交流合作是未來知識生產的主流模式。通過論文中的作者共現來識別合作關系，構建合作網絡圖譜，如圖4所示。節點為作者，節點越大表示這位作者發文數量越高；邊為作者合作，邊越寬表示連接的兩個作者之間的合作論文數量越多。

圖4 高水平基礎研究人才的合作網絡

量子信息技術領域高水平基礎研究人才十分重視合作，較多與所在機構或國家的科學家開展合作，見表7。潘建偉、陸朝陽、張強等來自中國科學技術大學的科學家形成密切的合作網絡，高水平人才發文數量達到354篇，并與來自奧地利科學院的Anton Zeilinger教授建立密切合作。John Martinis、Andrew Cleland、J Wenner等來自加利福尼亞大學圣芭芭拉分校的科學家合作密切，高水平人才發文數量達到255篇，與谷歌公司的Pedram Roushan、Daniel Sank等以及芝加哥大學的David Awschalom形成密切合作網絡。

表7 量子信息技術領域高水平基礎研究人才隸屬機構的發文分析

Michel H Devoret、Steven Girvin、Luigi Frunzio、Robert J Schoelkopf等來自耶魯大學的科學家合作密切，高水平人才發文數量達到152篇，并與芝加哥大學的蔣良教授開展合作。

此外，也有一些高水平基礎研究人才開展廣泛的跨機構、跨國家合作，如西班牙光子科學研究所Maciej Lewenstein、奧地利因斯布魯克大學Peter Zoller和Rainer Blatt、哈佛大學Mikhail D.Lukin、馬普學會Ignacio Cirac、麻省理工學院Dirk Englund等建立了跨多個機構的合作網絡。

4 研究結論和建議

量子信息技術是一種顛覆性的未來產業技術，有望成為新一輪科技革命和產業變革的關鍵領域。本文以R語言和bibliometrix為分析工具，通過文獻計量分析方法，對全球量子信息技術領域的人才分布特征、研究主題進行了分析和總結。鑒于本文的分析研究，針對我國量子信息領域發展現狀提出幾點建議。

（1）建設量子信息領域國際化開放合作的平臺。歐美各國都加大對量子信息領域的投入和布局，紛紛建設高水平的研發中心和創新實驗室，對于吸引高水平的人才起到了極為重要的作用。我國有舉國體制的優勢，在尋找好技術路徑的前提下，可以集中力量建設幾個國際化量子信息領域的開放合作平臺，吸引國內外量子信息領域高水平的人才來參與量子信息技術平臺的建設和開展合作研究。

（2）完善量子信息領域高水平人才引進培養機制。作為引領新一代產業技術革命的前沿領域，量子信息領域的人才具備多學科、多層次和稀缺化等特點，高校在設置量子領域學科的同時，要注重對學生的多學科基礎知識的學習和培養。由于這個領域理論研究和實際產業應用之間非常緊密，我們在培養高水平的理論研究人才的同時，要重視成果轉化和技術應用方面的人才隊伍建設。目前，量子信息領域還處于起步階段，尚未形成技術壁壘和寡頭論斷，開放合作仍然是主流[23]。我們應該在做好自主培養該領域人才的同時，堅持開放合作，進一步加強人才的引進、交流和合作。

（3）引進和培養量子信息領域企業高水平人才。目前，我國量子信息領域高水平的人才主要來自高校和研究機構，在我們研究的高被引科學家中只有來自美英科技巨頭的幾位科學家，我國還沒有來自企業的高被引科學家。我國阿里、百度、騰訊和華為等科技巨頭企業也應盡早布局，引進或培養企業自身的高水平的量子信息領域的人才。

（4）逐步培育量子信息領域相關產業生態環境。量子信息領域產業生態的建設需要政府、高校、科研機構和企業等方面的協同推進，政府除了給予政策和穩定的經費支持之外，還要組織和搭建研究的平臺，扶持初創量子信息技術企業的發展。高校和科研機構提供最新的學術和技術成果，并推動科技成果轉移轉化。企業特別是科技互聯網巨頭要加大對量子信息技術基礎研究的投入和高水平人才的引進和培養。