全球量子技术专利地图：申请趋势、技术创新和政策

光子盒研究院出品

最近的技术突破强调了第二代（2G）量子技术的潜力，包括量子模拟、量子感应和计量、量子计算和量子通信；这类技术的专利趋势是发明阶段创新步伐的一个指标。观察现实世界的专利活动的实证研究可以提供有价值的证据，帮助评估和指导与知识产权（IPR）、创新和量子技术治理有关的政策建议。

近日，斯坦福大学、牛津大学和哥本哈根大学团队评估了过去20年的专利趋势，以确定：

• 量子技术专利的增长
• 专利活动的技术细分和分类
• 优先专利局的选择
• 专利要求和策略类型
• 最近授予的专利的主题
• 领先专利所有者
• 主导的专利组合
• 这种专利活动的地理分布

最终，团队展示了量子专利公开是如何让我们走向一个新兴的量子信息公域，逐渐加强公共领域的。此外，团队还在量子创新倡议、市场竞争、专利/商业秘密接口和量子技术治理的更广泛背景下，研究了这些结果的创新和政策含义。

01

专利检索策略和信息清单设计

团队制定了一个旨在回答上述问题的检索策略。该策略遵循了确保专利景观一致性和透明度的建议，以及确保质量和可重复性的专利信息清单，类似的方法已经被用于分析基因专利和药物再利用的专利。

检索策略从高灵敏度到高特异性不等，以尽量减少误报。特别是，搜索策略识别了

• 所有与“量子”广泛相关的专利文件（S1）；
• 核心量子技术专利（S2）；
• 具有针对“量子”相关发明概念的权利要求的专利（S3）；
• 具有与量子技术相关独立权利要求的专利（S4）。

S1通过捕获任何包含关键词“量子”和相关量子概念（如量子比特、纠缠）的专利文件来识别任何与量子广泛相关的专利（即建立一个广泛定义的量子相关专利的保守上限），来优化敏感性，S2和S3通过要求关键词在S2的标题、摘要或权利要求（TAC）中，只在S3的权利要求中，以及作为S4专利的独立权利要求的一部分来优化特殊性。

通过将搜索结果进一步缩小到美国专利商标局（USPTO）和欧洲专利局（EPO）为特定量子发明建立的合作专利分类（CPC）类别，搜索实现了高度的具体化。这利用了美国专利商标局和欧洲专利局专利专家进行的人工分类，将每项专利申请和授权专利归入相关的CPC类别，有效地将自动检索算法的结果与人工专家审查相结合。CPC是世界知识产权组织（WIPO）国际专利分类（IPC）的延伸，由美国专利商标局和欧洲专利局共同管理，以实现各专利局之间的协调，改善专利检索。检索策略利用CPC分类，按照广泛的量子技术领域对专利进行分类，包括量子器件（S5）、量子光学（S6）、量子信息处理（S7）、量子计算（S8）、量子密码学（S9）和量子通信（S10）。

美国（USPTO）和欧洲（EPO）的量子技术专利。来源：美国专利商标局和欧洲专利局20010101至20211231年的专利申请和授权数据（由MA在2020218年进行检索）。CPC类别G06N10/00专门针对“量子计算，即基于量子力学现象的信息处理”；B82Y20/00针对“纳米光学，例如量子光学”；B82Y10/00针对“用于信息处理、存储或传输的纳米技术，例如量子计算或单电子逻辑”、“量子计算或单电子逻辑”；H04L9/0852是“量子密码学（采用无线电波以外的电磁波的传输系统”；H04B10是“采用无线电波以外的电磁波的传输系统，如红外线、可见光或紫外线，或采用冠状辐射，如量子通信”；H01L是“半导体装置；电固态装置”。

表1显示了对过去20年里在美国专利商标局和欧洲专利局发表的与量子技术有关的专利申请和授权专利的检索结果。检索策略从高灵敏度（S1）到高特异性（S2-S10），以减少误报。结果表明，自2001年以来，有236642项量子相关专利申请和178033项授权（S1）；也就是说，这些专利中的大多数只是与量子技术广泛相关。

搜索S2-S10缩小了搜索范围，提高了特异性，以确定核心量子技术专利，并按量子技术的具体子领域对这些专利进行分类。最终，找到了20581项授权专利，其中“量子”是授权专利（S2）的TAC中捕获的核心概念；在这些专利中，有18696项专利至少有一项包含“量子”作为限制条件（S3）；在10318项专利中，更重要的权利要求是针对与量子相关的发明概念（S4）。

S5-S10的结果表明，这些专利大部分与量子设备有关（n = 8965），其次是纳米结构/量子光学（n = 3282）、量子信息处理（n = 2057）、量子计算（n = 1603）、量子密码学（n = 736），以及量子通信（n = 632）。

02

年度量子技术专利申请活动、法律状态

图1显示了美国专利商标局和欧洲专利局的年度量子技术专利活动，以及在特定年份公布的专利文件的相应法律状态。该图显示了

• 特定年份授予的量子专利
• 被驳回/放弃的专利申请
• 特定年份到期的先前授予的专利
• 有效授予的专利（未到期的专利）
• 未决的专利申请。

图1 美国专利商标局和欧洲专利局的量子技术年度专利活动（检索编号：S2）和按专利文件公布日期划分的法律地位。

S2检索结果表明，每年授予的量子技术专利数量增加了近10倍。2001年只有161项专利授权；作为比较，2018年美国专利商标局和欧洲专利局授予了1555项专利，对应的总体复合年增长率（CAGR）为15.23%。也就是说，结果还显示，从2003年（n = 608）到2013年（n = 904）是一个相对较低的增长期（CAGR = 4.05%），大部分增长发生在（1）2001年至2003年之间，是1990年代后期的研发工作和专利申请的结果，以及（2）过去6年（2014年以来）的专利申请。总体而言，活跃的专利授权从2004年的111项增加到2021年的2028项（CAGR=18.64%）。

获准的申请与申请总数的相对比例（对于有少量未决申请的年份）表明，专利授权率在55%至62%之间。总的来说，在过去20年中提交的申请中，56.89%的申请被授权（n = 19，571项专利），43.11%（n = 14，830项）被驳回/放弃。此外，在此期间，22%（n = 4534）的授权专利已经过期。因此，在过去20年中披露的所有专利中，约有50%（n = 19364）已进入公共领域，可供社会免费使用。

1）专利分类：按照技术细分

表2 美国专利商标局和欧洲专利局的专利按CPC类别分类（检索ID：S2）。

表2显示了排名靠前的CPC类别、其描述以及美国专利商标局和欧洲专利局这些类别授予的相应专利数量。结果显示，与纳米结构及其应用（如计量学）有关的B82Y*类的专利数量最多（n > 7000），其次是半导体设备（n = 1868）和量子计算（n = 1603）。

2）美国专利局和欧洲专利局的量子技术专利活动

图2 量子技术专利局的选择（美国专利商标局与欧洲专利局）。

图2显示了按专利局（美国专利商标局与欧洲专利局）划分的量子技术专利文件的公开数量（即公开的专利申请和授权专利）。结果表明，美国专利商标局在过去20年中一直是首选的专利局。2001年，63.2%的量子技术专利（S2）是由美国专利局公布的。到2021年，这一比例已增加到EPO/USPTO联合专利群的78.8%。总体而言，欧洲专利局是22.04%的量子技术专利（S2）的优先局，而美国专利商标局占77.96%。

3）拥有量子技术的专利

图3 与量子技术广泛相关的专利（S1）；核心量子专利（S2）；具有针对量子概念的权利要求的专利（S3）；具有针对量子概念的独立权利要求（最广泛的权利要求）的专利（S4）的普遍性

超过90%的在标题或摘要中使用“量子”关键词专利（S2）也有针对“量子”发明概念的权利要求（S3）。此外，在超过50%的专利中，量子发明概念是在专利最广泛的权利要求中提出的（即独立权利要求）。自2020年以来，每年有超过2000项专利出版物（S2），每年有超过1800项专利出版物包含针对量子概念的权利要求（S3），每年有超过1000项专利的最广泛权利要求包括量子特征或限制（S4）。

美国专利商标局和欧洲专利局的量子技术专利的相对普遍性，其权利要求涉及（a）量子电路、（b）量子计算、（c）量子通信，和（d）量子算法。

在过去的20年里，包括与量子电路（如量子和电路*）相关的权利要求限制的专利是最普遍的。2001年至2013年，量子通信相关的权利要求是第二普遍的。然而，从2013年开始，含有针对量子计算的权利要求的专利变得比关于量子通信的专利更普遍。含有针对量子“算法”的权利要求限制的专利一直是少数。专利代理人可能有意避免使用“算法”这一限制，以克服与“抽象概念”（Bilsky和Alice）的专利不合格有关的主题资格限制。也就是说，自2016年以来，在权利要求中包括“量子”和“算法”限制的专利显著增加。

图5显示了量子技术专利（S2）的概念图。该图是通过对摘要、标题和权利要求书的自动文本分析生成的，以识别常用术语并按类别进行聚类。结果表明，S2的专利主要集中在六个领域，即（1）量子电路、（2）量子点设备、（3）量子计算、（4）量子点层、（5）量子态、（6）量子密钥。第二层包括有关用于描述和要求各自发明概念的术语的额外细节。

图5 量子技术专利的概念图（搜索编号：S2）。

图5可以被认为是20581项授权专利（S2）的标题、摘要和权利要求书中所使用的技术术语的摘要。也就是说，这些信息是高度压缩的，它不能替代对实际权利要求语言的直接分析，以考察权利要求的起草策略和保护范围。

4）最近授予的量子计算专利

表3 最近批准的20项量子计算专利的名称（S8）

表3列出了最近批准的20项量子计算专利（S8）的名称和各自的受让人。这些标题可以被认为是对所要求的发明的简短（≤500个字符）的总结，所有这些专利都是在2021年12月授权的，有助于说明最近量子计算专利的重点和主题范围。

5）领先量子计算专利拥有者

表4 量子计算专利（S8）的领先专利拥有者

表4列出了过去20年中量子计算专利（S8）的领先专利拥有者。在拥有超过25项量子计算专利的前10名中，专注于硬件和软件平台的美国全球公司（IBM、微软、谷歌、英特尔）、一家美国国防技术公司（Northrop Grumman）、一家成立于2013年的加州风险投资（2亿美元）公司、提供基于超导芯片的可扩展量子处理器技术（Rigetti）、霍尼韦尔国际和美国政府。在非美国公司中，D-Wave Systems（加拿大）专注于量子退火计算机和东芝（日本）。量子计算领域的领先大学组合有麻省理工学院（美国）、牛津大学（英国）、耶鲁大学（美国）、哈佛大学（美国）、加州理工学院（美国）、斯坦福大学（美国）、马里兰大学和威斯康星大学，以及代尔夫特理工大学（荷兰）。

6）引文分析和主导专利组合

图6 对量子计算专利组合的正向引文分析（S8）

图6显示了按受让人（最终专利所有人）对量子计算（S8）专利组合的正向引用分析。正向引文是私人价值的衡量标准，也是发明的潜在社会价值的代表。正向引用次数最多的专利组合是IBM、D-Wave、Northrop Grumman和微软。排名第一的大学是麻省理工学院。

7）全球地理分布

图7 量子技术专利发行量最大的国家和地区（检索ID：S2）。

图7中，美国和中国是发行量最大的国家，其次是日本、韩国、欧洲专利局、中国台湾、俄罗斯、澳大利亚、加拿大和英国。虽然美国继续引领量子计算领域，但中国可以说正在成为量子通信领域的领导者。这是很了不起的，因为中国在安全量子通信方面的大部分增长都发生在过去的五年里。因此，预计中国的量子网络和通信设备将很快出现在全球市场上。截至2021年，中国现在领先于日本、欧洲和澳大利亚，位居第二（图8）。

图8 量子计算专利申请最多的国家（CPC G08N10）。截至2021年，中国目前在日本、欧洲和澳大利亚之前位居第二。

03

趋势与总结

1）从经典技术到量子技术连续转变

过去20年授予的大多数量子技术专利（S2）都与纳米结构和固态设备及其应用（如传感和计量）有关。权利要求的性质和权利要求的起草实践与半导体专利中的专利几乎没有区别，后者保护的发明类型引起了过去50年的计算机和信息技术革命。密集集成电路（IC）中的晶体管数量大约每两年翻一番（遵循摩尔定律）。例如，1974年推出的英特尔8008处理器包含2500个晶体管，使用的MOS工艺为10000纳米，2005年的英特尔奔腾4包含169K个晶体管（90纳米），2017年的英特尔至强包含80亿个晶体管（14纳米），而2021年的苹果M1 Max有570亿个晶体管（5纳米）。

因此，我们经典处理器的构建模块现在使用5纳米规模的MOS工艺。这种微型化使工业界能够增加芯片中的晶体管数量（即增加集成电路的计算能力和功能）和速度，同时降低生产成本。这种扩展的后果是，“经典计算机”中使用的经典设备表现出量子力学效应，作为我们目前的计算设备（如手机、平板电脑、笔记本电脑、计算机）的处理器（CPU）和图形处理单元（GPU）的设计和开发的一部分，换句话说，量子物理现象在纳米尺度上变得不可避免了。例如，在深亚微米和纳米尺度上，由于氧化层的厚度（约2纳米），MOSFET表现出从源极到栅极氧化物的量子机械隧道，当通道长度小于10纳米时，从源极到漏极的量子机械隧道，以及能量量化。

2）领先量子计算机的拥有者

值得注意的是，对领先专利拥有者的研究显示，其集中度不如我们在经典计算和IT市场上看到的那样高。除了知名和资本雄厚的公司（IBM、微软、Alphabet、东芝、英特尔、惠普）之外，我们的结果显示，大学、公共实体和新企业也是最主要的受让者。与大型IT公司（如IBM、谷歌、微软、惠普）、半导体电子和电信公司（如英特尔、东芝、日立、NEC、意法半导体）或国防和安全公司（如诺斯罗普-格鲁曼、雷神公司）相比，强有力的专利保护对新进入者和量子化的中小企业（如Rigetti、1QB、D-Wave、MagicQ）更为关键。

值得注意的是，例如，D-Wave系统（估值12亿美元）拥有的量子计算专利比谷歌（市值1.7万亿美元）、微软（市值2.2万亿美元）或英特尔（市值2200亿美元）还多。IBM、谷歌、微软和英特尔等现有资本雄厚的公司可以从其内部资源（如强大的资产负债表和广泛的研发预算）为其量子计算研发提供资金，但新进入者必须主要根据其知识产权的实力向外部投资者筹集资金（鉴于该领域的深度技术性质和短期收入或利润的有限前景）。

作为一个说明性的例子，一家成立于2013年的新进入者Rigetti目前拥有约130名员工，拥有量子计算领域十大专利组合之一（排在东芝、英特尔和惠普之前），这使他们能够筹集到2亿美元的总投资，最近宣布计划在纽约证券交易所公开上市，估值约为15亿美元。

3）量子技术与市场竞争

在这一背景下，可以想象有几项举措可以帮助解决有关公平竞争、知识共享、市场活力下降和市场进入者障碍的潜在问题。

首先，欧盟委员会最近提出了数字服务法案（DSA）一揽子计划，作为整个欧洲数字战略的一部分。DSA的目的是保证现有的主导市场参与者可以受到新的量子初创企业和成熟的竞争对手的挑战，从而使单一市场保持竞争力，对新的想法和创新开放，消费者可以有所选择。DSA也将适用于量子和人工智能的技术领域。第二，在美国，基本设施原则可用于开放和振兴量子计算生态系统，对市场上没有现实替代物的设施授予准入权。第三，根据拟议法引入支持量子的反垄断执法机制，保障新兴的量子市场不被占优势的在位者利用其市场力量扭曲量子计算领域的发展。

4）政府资助的量子创新计划

量子技术正在成为全球“权力游戏”中的一个主要竞争因素，这一点不仅在分析与知识产权有关的拉动机制时显而易见，而且在审视最近的推动举措和投资时也是如此。根据一份量子资源和职业（QURECA）报告，到2021年中期，各国政府已向量子计算研究投资超过250亿美元。其他报告称，到2021年9月，已经有超过10亿美元的风险投资进入该行业，比前三年的总和还要多。

为了跟上美国、中国和印度等量子技术地区不断增加的投资，欧洲最重要的倡议之一，也是推动激励措施的主要促进者和协调者，是欧盟委员会的量子技术旗舰倡议。它得到了欧盟成员国的全力支持，于2018年开始，总预算为10亿欧元。所谓的“第一次量子革命”与“发现量子领域的规则，从而发明了激光和晶体管等工具”有关，该倡议的目标是支持欧洲参与被称为“第二次量子革命”的激烈竞争。

这包括开发可能改变生活的技术，这些技术可能对市场产生巨大的影响。因此，该倡议的重点是促进那些相当接近市场成熟度的系统，如量子通信网络、超灵敏相机和量子模拟器，这些系统可以支持新材料或改进材料的创造和设计。此外，该倡议旨在支持具有高市场潜力的不太成熟的技术，如通用的量子计算机和可用于移动电话的高精度传感器。

重要的是，欧盟成员国的投资正在增加，有时超过欧盟的投资。例如，2021年5月，德国宣布将在五年内对量子计算和相关技术投资20亿欧元，根据这项计划，几乎所有其他国家都相形见绌，教育和研究部承诺到2025年将有11亿欧元用于研发，而经济部将贡献8.78亿欧元用于开发应用。即使是较小的欧盟成员国，如丹麦和荷兰，也在大量投资于量子技术，例如建立和资助新的创新中心和专注于量子技术的公私伙伴关系。同时，在英国，政府已经在2013年投资2.7亿英镑建立了英国国家量子技术计划，并在2014年制定了量子路线图，在该领域投资超过10亿英镑。

5）量子专利与商业发展

专利制度目前正在鼓励公开披露，而在这个技术领域，商业秘密可能是一种更可取的知识产权选择，原因是：

• 许多这些技术的早期阶段性质
• 市场结构
• 潜在的商业模式

与制药业类似，大多数量子技术的研发是资本密集型和高风险的。在制药业，专利权是一个关键的激励因素，因为新药的研发成本很高，但一旦成分已知，创造一个基本等同的仿制药就会便宜很多，特别是对于小分子化合物。在医药领域，创新（即创造一个安全有效的新药）与模仿（即创造一个基本等同的仿制药）所需的投资之间的不对称性非常大。然而，虽然大多数量子技术与制药业一样需要昂贵的研发，但一般来说，量子技术产品更难以逆向工程（即模仿也很昂贵）。更何况，即使没有量子知识产权，或者在量子专利将被放弃、抵押或国有化的情况下，重新创造复杂的机器，如量子计算机将需要大量的高科技设施、货币资源和技术诀窍，特别是洁净室、高质量的生产线、供应链和经验丰富的熟练劳动力。

一些量子技术，如量子计算硬件，很可能集中在物理安全设施中，客户通过云端访问它们，权限由量子计算服务提供商通过基于角色的访问控制来确定。因此，由于产品不像药品那样是“公开的”，所以通过商业秘密来保护它要容易得多。量子计算的预期商业模式可能类似于目前由亚马逊/AWS（33%）、微软Azure（21%）、谷歌Could（10%）、阿里巴巴云（6%）和IBM云（4%）主导的基于云计算的模式。

然而，当量子计算领域的新进入者（如D-Wave、Rigetti）开始披露他们的发明并获得专利保护时，这就给在位者带来了竞争风险，因为这些专业的新进入者可能会：

• 获得更有价值的专利（即范围更广的保护）
• 在该领域的早期阶段获得更有价值的专利（即范围更广的保护），因为专利审查员可以利用有限的发明，根据新颖性、创造性（非显而易见性）和披露的充分性（即书面描述、能动性和其他）来限制拟议的权利要求范围
• 利用专利组合和其他知识产权从风险和成长资本中筹集资金，以开发专门的量子技术商业解决方案，从而对目前的技术从业者构成颠覆性创新威胁。

因此，那些宁愿将其关键发明作为商业秘密而不追求专利保护的在位者（尤其是那些预期在未来10到20年内从商业利用中获得投资回报的发明），也被鼓励在这个早期阶段通过专利制度公开其发明。与商业秘密相比，这些动力通常通过促进创新而对社会更加有利，因为每个人都从公开披露中受益，而且所有的专利最终都会成为公共领域的一部分（即在优先权日期的20年内）。

报告原文：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40319-022-01209-3

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