史上最全量子技术专利报告

光子盒研究院出品

近日，欧洲专利局（European Patent Office, EPO）发布了与量子技术相关的专利洞察报告中的第二份出版物。此次，报告概述了量子计算领域和以下细分领域的重要专利趋势：量子计算的物理实现、量子纠错/缓解、量子计算和人工智能/机器学习。

核心观点概述：

• 过去十年，量子计算领域的发明数量成倍增长
• 总体而言，增长率高于所有技术领域
• 高于国际专利申请的平均份额，表明对所涉技术和跨国商业化战略的经济期望很高
• “量子计算的物理实现”、“量子纠错/缓解”和“量子计算和人工智能/机器学习”子领域的动态专利趋势，其中发明数量也成倍增加
• 在量子计算领域，大约有十分之一的欧洲专利申请有几个专利申请人，这表明他们之间开展了积极的合作。申请专利的人来自各个大洲，他们明确关注同一地区或大洲。

图1 量子领域在不同年份的专利发明数量，仅限于国际专利。

此次报告根据对量子计算领域和选定子行业的分析结果，讨论了可能的解释。首先，EPO汇总了量子计算领域的申请趋势，并将其结果与所有技术领域的总体情况进行了比较；然后，EPO考察了申请专利保护的主要管辖区、活跃申请人和共同申请人的行为，以阐明不同申请人之间和跨国界的合作。

随后，EPO还考察了以下子领域的情况和分析结果：量子计算的物理实现、量子纠错/缓解/缓解以及量子计算和人工智能/机器学习。

量子科技专利发展分析

近年来，量子计算领域的专利申请数量一直在动态发展。

图2 量子计算领域每个最早出版年份的DOCDB专利族的数量

图2显示了量子计算领域的发明数量，由DOCDB专利族（DOCDB专利族是一组与涵盖相同技术内容的专利申请相关的专利文件）的最早公布日期近似表示：选择这个日期是为了表示发明首次向公众开放的时刻，可以刺激其他人的研究活动并影响竞争对手的商业策略。因此，最早的发表日期对一个技术领域的技术、经济发展具有根本的重要性。

该图显示了过去十年中发明数量的急剧增长。这种增长更加引人注目：它远远高于所有技术领域中普遍观察到的发明数量增长（图2中的右侧比例）。图2还显示了2000年代发明数量的微弱增长。这种影响可能是由有关量子计算技术的科学出版物引发的，这些出版物在科学界被认为是基础性的，它提高了经济预期并导致有关这些技术的专利申请。对这种上升的另一种可能解释涉及绝热量子计算领域，该领域在当时被认为是一种有前途的技术，并在这一时期导致了一波专利申请。不过，这一浪潮会在几年后逐渐消失，或者被过去十年中观察到的与量子计算有关的发明数量的强劲增长所叠加。

图2还考虑了在单一国家管辖区和多个管辖区提交专利申请的专利族。对于后一类专利族，一般认为专利申请人对相关发明赋予了更大的经济潜力，而且从地理角度来看，他们倾向于寻求更广泛的商业化。因此，EPO选择将分析的重点放在这类专利族上：它们通常被称为国际专利族。当把量子计算的国际专利族的数量作为最早公布年份的函数绘制时，前面描述的动态变得更加明显。虽然所有技术领域的发明数量都在持续增长，但量子计算领域的增长远远高于平均水平（图3）。此外，没有迹象表明这一发展在未来几年会放缓。

图3 量子计算领域最早出版年份的发明数量，仅限于国际专利系列

仔细观察量子计算领域的国际专利族可以发现，专利族成员在所有专利机构中的分布并不均匀。相反，图4可以看出，专利申请人把重点放在以下专利申请途径上：国际申请（WO）、美国申请（US）、日本申请（JP）、欧洲申请（EP）和中国申请（CN）。

图4 按最早出版年份分列的出版专利当局在量子计算领域的备案统计数据

欧洲专利申请是一种特殊情况。《欧洲专利公约》（EPC）为在欧洲获得专利保护建立了一个单一的申请程序。只需一份专利申请，申请人不仅可以在加入EPC的所有39个缔约国保护其发明，还可以在一个扩展国和四个验证国保护其发明。

图5 在欧洲专利公约的一个成员国、扩展国或验证国得到验证和维护的已授权EP专利的百分比。该图显示了一个国家作为研究和生产地点以及作为量子计算领域的市场的重要性。

图6显示了这些专利申请途径在量子计算发明所选择的所有专利申请途径中的百分比。它说明了过去几十年来美国专利申请的比例一直很高，反映了美国在量子计算领域的重要性：既是该领域技术的发展，又是这些技术的重要市场。另外值得注意的是，EP申请的份额持续走高，CN专利申请的份额也在增加。

图6 量子计算领域的申请统计数据

可以看出，近年来，量子计算领域的国际专利申请比例有所上升。更重要的是，如果与所有技术领域的国际专利申请途径所占的份额相比，该领域的国际专利申请份额明显高于平均水平（见图7）。这一较高的份额可以解释为专利申请者对有关技术的高经济预期，以及相应的跨国商业化战略。

图7 所有技术领域的申请统计数据

衡量量子计算领域专利申请策略的战略方向和成功与否的一个重要指标是授权知识产权的比例。

图8显示了量子计算领域的国际专利族的百分比，其中至少有一项关于中国、欧洲、日本、美国管辖范围内的授权专利，或PCT申请导致国家或地区阶段的授权专利。量子计算领域的情况一般遵循在所有技术领域观察到的趋势，早些年的比例略高，近些年的比例略低。

图8 量子计算领域的国际专利族中，至少有一项关于CN、EP、JP、US或PCT申请导致国家或地区阶段的授权专利的百分比。

量子计算领域最活跃的申请人是公司、企业，主要来自美国和日本（见表1）。例外情况是少数美国的大学和一个与美国大学保持关系的非营利组织。最积极的申请者名单以IBM为首，其次是东芝（包括Nuflare Technology）、英特尔和微软。

表1 量子计算领域最活跃的专利申请人

如果更详细地看一下过去几十年的发展，情况会变得更加细微（见表2）。在2000年代，位于加拿大的公司D-Wave系统公司在该领域非常活跃，其重点是绝热量子计算。这种活动可能在整个领域引起了一定的势头，并吸引了其他申请人（如来自美国和日本）的兴趣。在这十年中，只有公司跻身于最活跃的前10名申请人。相比之下，在2010年代，两所大学：麻省理工学院（MIT）和哈佛大学，在最活跃的专利申请者中引起了关注，而其余则由大公司主导。

表2 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期间，量子计算领域最活跃的申请人的细分情况

近年来，美国大学的份额不断增加，而其余部分则继续由大公司主导。

仔细观察量子计算领域的国际专利族可以发现，这些专利族中的大多数专利申请都是由一个专利申请人提出的。虽然由一个以上的专利申请人提出专利申请的国际专利族是少数（大约三分之一），但这些案例特别令人感兴趣，因为它们提供了不同公司之间或公司与学术机构之间合作的迹象，无论是在同一国家还是跨越国界。

为此，EPO仔细研究了至少包括一个EP专利族成员的国际专利族，因为这些案件有关于原产地/居住国的可靠信息。鉴于关于申请人居住国的可靠信息主要可用于EP申请，共同申请人的分析主要集中在这类申请上。

在量子计算领域的13000多个国际专利族中，有6000多个专利族至少有1个EP族成员。在这些专利族中，有500多个专利族有1个以上的专利申请人。这相当于大约十分之一的份额。对这些有联合专利申请的专利族中的申请人的居住国进行更仔细的分析表明，专利申请人来自各大洲，明显倾向于与地理上相对接近的专利申请人进行联合专利申请，即来自同一区域结构或来自同一大洲。例如，在有联合专利申请的专利族中，约有三分之二的专利申请者位于欧洲专利公约的一个缔约国，其第二申请人也来自这些国家之一（见图9）。在申请人来自欧洲专利公约国家的联合专利族中，约有四分之一的专利族有来自北美的第二申请人。这些结果表明，同一地区内的合作相对密切，而不同大洲的申请人之间的合作较弱。对联合专利申请中提到的发明人的原籍/居住国的分析也得出了类似的结果（见图10）。

图9 量子计算领域的共同申请人模式，针对至少有一个EP专利族成员的国际专利族：关于居住国的细分

图10 量子计算领域的共同发明人模式，针对至少有一个EP专利族成员的国际专利族：关于居住国的细分

跨国合作不仅可以在地理层面上观察到，而且还可以在不同的部门之间观察到，专利申请人可以根据其性质被分配到公司、大学等部门。图11显示了联合专利申请在原产地/居住国方面的分析结果，根据位于欧洲的专利申请人的部门分配进一步细分。它表明，来自一个部门的欧洲申请人倾向于与同一部门的其他欧洲专利申请人更频繁地合作。然而，也有与来自其他部门的欧洲专利申请者的合作。

图11 量子计算领域的共同申请人模式，适用于至少有一个EP专利族成员的国际专利族。根据来自EPC国家的申请人的部门分配，对原籍国/居住国的进一步细分

1）核心子领域：量子计算的物理实现

在过去几十年中，量子计算领域所观察到的专利族数量的强劲增长也显示在量子计算的物理实现子领域中，2000年代的上升幅度较小，而在过去十年中则有非常明显的增长。这个子领域的发展也明显高于在所有技术领域可以观察到的趋势（图12）。

图12 每个最早公布年份与量子计算的物理实现有关的发明数量

图12（右图）还显示了与量子计算的物理实现有关的国际专利族在量子计算领域所有国际专利族中的份额。与量子计算物理实现相关的发明在2000年上述小高潮期间占整个领域所有发明的比例上升到20%以上，当这一波浪潮结束时，下降到约十分之一，在过去十年中又稳定地上升到约20%。

对量子计算物理实现领域的国际专利族成员的考察表明，与整个量子计算领域类似，专利申请人主要通过以下申请途径提交专利申请：国际申请、美国申请、日本申请、欧洲申请和中国申请（见图13）。图13反映了美国专利申请在该领域的国际专利族中的比例一直很高，这与美国作为重要的专利申请人的居住国以及作为量子计算的物理实现的市场的重要性相对应。

图13 与量子计算的物理实现有关的申请统计数字

图14 在量子计算的物理实现领域，至少有一项关于CN、EP、JP、US或PCT申请的授权专利在国家或地区阶段获得授权的国际专利家族的百分比

图14显示了量子计算物理实现领域的国际专利家族的百分比，其中至少有一项关于CN、EP、JP、US或PCT申请的授权专利在国家或地区阶段。与整个量子计算领域类似，量子计算的物理实现领域的情况基本上遵循了在所有技术领域观察到的趋势，早些年的比例更高。早年的分散和部分稀疏的过程可以用该时期该领域的发明数量相当少来解释。

表3 与量子计算的物理实现有关的最活跃的申请人

表4 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期间，与量子计算的物理实现有关的最活跃申请人的细分情况

美国在该领域的突出地位也体现在对最活跃的专利申请者的分析中（表3）。IBM位居榜首，其次是其他美国公司。来自加拿大、日本、中国和澳大利亚的公司也是最活跃的专利申请者之一。一些美国大学，特别是麻省理工学院和耶鲁大学，也发挥了一些重要作用。

对不同时期的数据进行更详细的分析表明，美国专利申请人在最近几十年中发挥了越来越突出的作用（见表4）。在2000年，即第一次上升期，最活跃的专利申请者名单中，来自加拿大、美国、日本和澳大利亚的公司居首。在随后的几年里，情况发生了变化，有利于美国申请人。

2）核心子领域：量子纠错/缓解技术

与量子计算的物理实现子领域类似，并且在某种程度上与技术相关，量子纠错/缓解子领域的发展也非常活跃。在2000年代有微弱的上升，在过去十年有非常强劲的增长（图15）。该子领域的发明相对于整个量子计算领域的份额，在审议期间基本持续发展（图15，右侧比例）。

图15 每个最早出版年份与量子纠错/缓解有关的发明数量

最活跃的专利申请者名单再次以IBM为首，其次是来自美国、日本、加拿大和韩国的其他申请人（见表5）。仔细观察一段时间的发展就会发现，与量子计算的物理实现子领域类似，总部设在美国的公司在最近一年中发挥了越来越突出的作用，而在2000年代，即第一个上升期，最活跃的专利申请者名单在来源方面明显更加多样化（表6）。

表5 与量子纠错/缓解有关的最活跃的申请人

表6 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期间，与量子纠错/缓解有关的最活跃申请人明细表

3）核心子领域：量子计算和人工智能/机器学习

量子并行已经证明，量子计算特别适合于实现人工智能/机器学习（AI/ML）技术。例如，图形模型（如生成神经网络）和基于自旋的模型（如Ising或Pott模型）之间的等价性在统计物理学中早已为人所知，并有充分的证据，这种类比导致了QC对AI/ML更深入、更直接的适应。

在科学和专利文献中已经提出了各种各样的解决方案，尽管这种创新处于两种新兴技术的最边缘。由于QC通常涉及“混合”系统，包括量子和经典组件，这些解决方案可以在经典或量子领域实现数据或AI/ML模型（或其训练，如果适用）。这也适用于一般的量子优化（如量子退火，变分量子特征求解器（VQEs）或QAOA），特别适合解决人工智能/ML问题。

图16 量子AI/ML解决方案：量子生成对抗网络（QGAN）、量子神经网络（QNN）、量子强化学习(QRL)、量子近似优化算法(QAOA)

AI/ML技术的另一个坚实的开端是在QC相关的数据、参数或变量上的应用，由于其独立于应用的性质，预计将在其他领域取得类似的成功。

量子计算和人工智能/机器学习子领域与其他被考察的子领域以及整个量子计算领域有明显的不同。虽然该子行业在2000年代可以观察到专利申请的最初、最低限度的上升，但实际的动态发展在过去十年才开始（图16）。值得注意的是，该子行业的势头甚至高于其他子行业或整个量子计算领域。在这种远高于平均水平的势头下，该子领域的发明与整个领域相比的份额也在上升，目前约为15%。

图17 每个最早出版年份与量子计算和人工智能/机器学习有关的发明数量

与所考虑的其他分部门一样，IBM在最活跃的专利申请者名单中居首，其次是日本、美国、欧洲、加拿大和中国的专利申请者（表7）。与所考察的其他子行业（近年来总部设在美国的公司在其中发挥着越来越突出的作用）相比，量子计算和人工智能/机器学习子行业中最活跃的专利申请人的来源国的多样性在过去十年中显然更高（表8）。

表7 与量子计算和人工智能/机器学习相关的最活跃的申请人

表8 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期间，与量子计算和人工智能/机器学习相关的最活跃的申请人的细分情况

总结与展望

这项研究表明，虽然专利申请数量仍然相当低，但量子计算领域的势头非常高，相对于所有技术领域的专利申请数量的普遍增长而言，明显高于平均水平。

这项研究特别关注“量子计算机的物理实现”、“量子纠错/缓解”和“量子计算和人工智能/机器学习”等子行业。虽然这三个子行业在专利申请数量上都有很高的势头（与整个量子计算相似），但“量子计算和人工智能/机器学习”子行业的特点是拥有更强的发展动力。

虽然在整个领域和子领域中最活跃的专利申请者名单中，IBM和其他美国公司近年来发挥着越来越突出的作用，但在“量子计算和人工智能/机器学习”子领域中，来源的多样性仍然很高。

未来，EPO表示，将更新本报告并仔细研究量子计算领域的其他子行业将如何发展和多样化。

报告全文：

https://documents.epo.org/projects/babylon/eponet.nsf/0/C90EC0C5EC8606BAC125894000576377/$File/epo_patent_insight_report-quantum_computing_en.pdf

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