全球量子信息技术创新发展研究

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来源：信息通信技术与政策作者：张倩，李文宇

摘要：以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术已成为未来国家科技发展的重要领域之一，世界各国在加快量子信息技术基础研究和应用研发过程中，愈发重视创新成果的保护和运用。分析了全球量子信息领域专利申请和科研论文最新发展趋势，提出未来量子科技领域国际合作将更加密切，科研论文和专利布局的竞争态势将会越来越凸显。

关键词：量子信息；量子计算；量子通信；量子测量；专利

1  引言

在当前欧美等发达国家纷纷启动量子信息国家战略背景下，量子信息技术已成为全球最热的科技竞争焦点之一[1]。美国、中国、日本、加拿大及欧洲等国家和地区在加快量子信息技术基础研究和应用研发过程中，愈发重视创新成果的保护和运用。近5年来，量子信息科研产出和技术专利大量涌现。本文在对最新的量子信息领域专利申请和科研论文趋势进行分析的基础上，为量子信息技术和产业发展提供参考。

2  量子信息领域科研论文覆盖面广，近期热点频出

通过对超过4 万篇量子信息技术论文进行统计，按照Web of Science学科分类，发现论文主要分布在物理学、光学、工程等领域，同时与计算科学、化学、数学等领域也有较多关联[2]。其中，物理学（多学科）占16.13%、光学占14.90%、物理（应用）占11.79%、物理（原子、分子与化学）占 9.51%、工程（电气与电子）占6.65%。另外，全球发文量排前20名的期刊汇聚了超过45%的量子信息相关科研论文，分布较集中。
量子信息作为数学、信息学、物理学及计算机科学等学科的交叉前沿领域，经过论文筛选和关键词聚类分析发现，关键词关系图呈现出3个主要的聚簇。
第一个聚簇主要围绕量子物理实现技术，包括超导（Superconductivity）、NV色心（Color Center）、硅量子点（Silicon Quantum Dots）等。
第二个聚簇主要围绕量子加密和通信技术，包括量子密钥分发（Quantum Key Distribution）、量子隐形传态（Quantum Teleportation）、安全直接通信（Secure Direct Communication）、单光子探测器（Single Photon Detector）、量子克隆（Quantum Cloning）等。
第三个聚簇主要围绕量子计算和量子信息学技术，包括量子算法（Quantum Algorithm）、 搜索算法（Search Algorithm）、神经网络（Neural Networks）、深度学习算法（Deep Learning Algorithms）、纠错算法（Error Correction）、 量子图像处理（Quantum Image Processing）等，在第二个和第三个聚簇交汇处出现量子测量领域相关技术。
此外，量子退火（Quantum Annealing）、粒子群优化（Particle Swarm Optimization）、可逆逻辑（Reversible Logic）、单光子探测器（Single Photon Detector）等关键词位于词云的边缘，与量子计算和量子密码学关系比较紧密，与其他主题的关系较弱。
随着人们对量子信息技术的兴趣日益高涨，对最近3年新增关键词词频进行统计发现，科研方向出现了一些新的关注点，如量子霸权（Supremacy）、量子区块链（Block Chain）、量子发射器（Quantum Emitters）、分布稳健（Distribution Robust）、几何自旋（Geometric Spin）、二维量子材料（Two-Dimensional Materials）、片上量子（On-chip）、量子纳米光子学（Quantum Nano Photonics）等。除量子霸权外，这些新增关键词都是以理论研究为主，如有科学家认为利用跨时间的量子纠缠在未来的量子网络中实现高度安全的量子区块链是值得提倡的。

3  科研论文发文量持续上升，领先国家织密科研合作网络

量子信息技术各领域论文年度发文量及国家排序如图1所示。量子计算、量子通信、量子测量领域科研论文发文量持续上升。

图1  量子信息技术各领域论文年度发文量及国家排序（来源：中国信息通信研究院知识产权中心）

（1）量子计算上升趋势最明显，来自美国科研机构和企业的论文数量超过8000 篇，位列第一；中国紧随其后，超过4000 篇；其次是德国、日本、英国、加拿大、法国、澳大利亚、印度等，这些国家是量子计算原始技术创新的主要来源。
（2）在量子保密通信应用持续探索的同时，量子通信领域论文量也在持续攀升，其中量子密钥分发（QKD）技术研究从理论探索开始走向实用化，论文数量持续上升；量子隐形传态（QT）的论文近年来相对保持平稳，与其关键技术瓶颈仍未取得突破有一定关系。从国家分布来看，中国科研机构论文量位列第一，超过4000 篇，其次是美国、日本、德国、英国、加拿大、意大利、澳大利亚等。国内量子通信领域科研机构已经形成梯队，在全球发文量前25家中有10家是中国高校或科研单位。滑铁卢大学、新加坡国立大学、麻省理工学院、多伦多大学、日内瓦大学等也有较多研究成果发布。
（3）量子测量论文量超过4000 篇，美国科研机构发文量位列第一，中国、德国、日本、英国紧随其后。
纵观量子信息技术论文合作情况，欧美的科研范式以集团军式的联合研究为主，织密国家之间的科研合作网络，联合攻关项目，强化技术同盟的路线选择（见图2）。

图2  量子信息技术各领域科研论文合作关系网（来源：中国信息通信研究院知识产权中心）

在量子计算领域，美国与德国、加拿大等国在量子计算领域深化合作趋势明显，我国的中国科学院、中国科学技术大学、清华大学加快科研攻关，已位列全球量子计算发文量的前20 名，其余机构主要来自美国、英国、日本、新加坡、澳大利亚等国家。
在量子通信领域，中国已经成为技术的引领者之一，并积极推动与加拿大、意大利及非洲等国家和地区的国际合作。
在量子测量领域，美国加州理工学院、德国苏黎世联邦理工有较多论文，我国的中国科学院、中国科学技术大学等科研单位在量子精密测量领域持续开展科研攻关，并开始步入量子测量论文发表数量的国际前沿行列。

4  量子信息仍处于科研攻坚和产业化早期，预计相关专利将持续大量产生

量子计算、量子通信、量子测量领域的专利竞争态势加剧[3-4]。近10年来，中国产学研机构在量子计算领域申请的专利量逐步赶超日本和加拿大（见图3）。基于专利分析技术生命周期发现该领域新增专利和新进入者均持续上升，技术尚处于成长期（见图4）。预计未来5年，新的专利将大量涌现。由于专利具有地域性，从目标市场国/区域来看，截止到2020年9月底，47%的专利布局在美国，中国也以其庞大的市场吸引了除本土申请人之外的来自美国、日本、欧盟的“玩家”。从创新机构类型来看，我国国内高校和科研院所的专利申请占40%，而美国、加拿大的公司专利申请更活跃，随着近年来我国高校和科研院所对于科研成果的商业转化支持力度逐步增大，会进一步促进产学研深度融合和协同创新。从技术方向来看，主要涉及量子计算软硬件、量子算法、其他相关设备，以及超导、半导体、量子阱、光电子等物理实现技术。

图3  量子信息技术各领域专利申请趋势（来源：中国信息通信研究院知识产权中心）

图4  量子信息技术各领域专利生命周期（来源：中国信息通信研究院知识产权中心）

我国在量子通信专利储备位列世界前列，专利申请加速产业化发展。随着基于量子秘钥分发（QKD）的量子保密通信在全球开展多项试验网络建设和试点应用，科研成果已经逐步进入实际应用阶段，国内产学研机构积极推动“技术专利化”。我国从2012年之后，专利数量超过美国、日本等国家，且呈持续上升态势。据统计，全球47%的量子通信技术专利申请来自中国，24%来自美国，12%来自日本。
从专利目标市场国来看，除了本土申请外，中国还吸引了海外科技巨头企业来华布局，成为专利申请受理最多的国家。从技术生命周期来看，近年来参与量子通信技术专利创新的机构数量尽管仍在增加，但增幅较量子计算略为平坦，专利竞争者数量趋向稳定。从专利技术分类来看，基于量子密钥分发安全通信相关的信道、同步、侦听、密钥生成方法、数字签名、身份认证、密钥协商过程等是专利申请的主要方向。量子密钥分发（QKD）与行业结合的方向（如电动汽车智能充电网、公共交换电话网络、物联网、低空飞行器、量子加密终端、变电站等）也存在技术专利创新空间。从专利申请来看，量子通信与云计算、传感网络有更多结合空间。
虽然量子测量领域前景广阔，但仍处于科研攻坚和产业化的早期，2014年之后，相关专利才出现逐步上升趋势，与量子计算和量子通信相比，专利申请总量较少，并未出现大幅增长态势。从技术生命周期来看，新进入者逐步增多，但未出现大规模效应。从专利技术分布来看，美国在多个分支技术均有专利申请，在超导、量子陀螺仪以及跨领域的应用（如医疗诊断方面）均有专利布局，而国内申请人在量子定位导航方向上的专利申请较多。

5  未来趋势研判

5.1  量子科技领域国际合作将更加密切

纵观量子信息领域论文国家合作网络，欧美的科研范式以集团军式的联合研究为主，充分利用其科技、经济领先优势及地缘政治，巩固量子科技“朋友圈”，建立了国家之间的科研合作网络，联合攻关项目，强化技术同盟的路线选择，通过合作提升量子科技领域国际合作的层次和水平，构筑学术交流、技术合作、创业投资和标准制定等方面的联盟优势。

5.2  量子信息领域专利将大量出现

由于量子计算、量子通信和量子测量技术目前还尚不成熟，距离实用化还面临多重挑战，随着各国量子信息技术竞争加剧，科研论文和专利布局的竞争态势会越来越凸显。从专利数量和申请人数量发展趋势可以看出，技术发展仍处于成长期，未来或将出现更多的“新进入者”。

5.3  量子发展战略谋划中将更加注重知识产权系统布局

根据专利情况分析，美国、日本、欧盟、加拿大等国家和地区在量子信息多学科交叉融合和多技术领域集成创新方面都非常重视知识产权保护，科技巨头和专业公司已经围绕关键技术广泛申请专利，并持续加强海外专利布局。2020年10月16日，我国《专利法》第4次修改已通过国务院审议，加大了对侵犯专利权的赔偿力度，加强了对专利权人合法权益的保护。从国家层面来看，在量子信息重大项目顶层设计中强化关键核心技术的专利质量提升尤为重要，进一步推动“技术专利化、专利标准化、标准产业化”。

5.4  国际标准化组织将加快相关标准研制，标准专利布局会更加密集

随着ITU-T、ISO、IEC、IEEE、IETF等国际标准组织[5]围绕量子计算、量子互联网、量子通信、量子密钥分发等领域的标准化工作相继启动，各国企业纷纷参与国际标准化工作，推动相关术语标准、试验标准、规范标准研制。在新技术的标准研制过程中，各国技术主导者会更加注重标准专利的前瞻布局，争取标准和专利的优势地位。

5.5  量子概念升温或引发资本市场进入，企业知识产权保护愈发重要

除科技巨头外，量子信息领域有一批从研究机构分离出来的初创公司，成为产业生态的“中坚力量”，资本市场将更加青睐那些掌握关键技术自主知识产权的企业。因此，初创企业需要加强知识产权保护和风险防御意识，适度超前布局专利，提前建立起技术产品的“专利护城河”，才有可能在量子科技发展战略谋划和系统布局战略背景下，成为推动我国量子科技发展的重要支撑。

6  结束语

随着量子信息技术应用的探索推进，量子信息技术已成为未来国家科技发展的重要领域之一。世界各国在加快量子信息技术基础研究和应用研发的过程中，愈发重视创新成果的保护和运用，未来量子信息产业或将吸引更多投融资机构加大投资力度。本文对全球量子科技领域专利申请和科研论文最新发展趋势进行了分析，提出未来量子科技领域的国际合作将更加密切，科研论文和专利布局的竞争态势也将越来越凸显。

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