以量子計算、量子通信和量子測量為代表的量子信息技術(shù)已成為未來國家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，世界各國在加快量子信息技術(shù)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)過程中，愈發(fā)重視創(chuàng)新成果的保護(hù)和運用。分析了全球量子信息領(lǐng)域?qū)＠暾埡涂蒲姓撐淖钚掳l(fā)展趨勢，提出未來量子科技領(lǐng)域國際合作將更加密切，科研論文和專利布局的競爭態(tài)勢將會越來越凸顯。
1引言
在當(dāng)前歐美等發(fā)達(dá)國家紛紛啟動量子信息國家戰(zhàn)略背景下，量子信息技術(shù)已成為全球最熱的科技競爭焦點之一[1]。美國、中國、日本、加拿大及歐洲等國家和地區(qū)在加快量子信息技術(shù)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)過程中，愈發(fā)重視創(chuàng)新成果的保護(hù)和運用。近5年來，量子信息科研產(chǎn)出和技術(shù)專利大量涌現(xiàn)。本文在對最新的量子信息領(lǐng)域?qū)＠暾埡涂蒲姓撐内厔葸M(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，為量子信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
2量子信息領(lǐng)域科研論文覆蓋面廣，近期熱點頻出
通過對超過4萬篇量子信息技術(shù)論文進(jìn)行統(tǒng)計，按照Web of Science學(xué)科分類，發(fā)現(xiàn)論文主要分布在物理學(xué)、光學(xué)、工程等領(lǐng)域，同時與計算科學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域也有較多關(guān)聯(lián)[2]。其中，物理學(xué)（多學(xué)科）占16.13%、光學(xué)占14.90%、物理（應(yīng)用）占11.79%、物理（原子、分子與化學(xué)）占9.51%、工程（電氣與電子）占6.65%。另外，全球發(fā)文量排前20名的期刊匯聚了超過45%的量子信息相關(guān)科研論文，分布較集中。
量子信息作為數(shù)學(xué)、信息學(xué)、物理學(xué)及計算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的交叉前沿領(lǐng)域，經(jīng)過論文篩選和關(guān)鍵詞聚類分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵詞關(guān)系圖呈現(xiàn)出3個主要的聚簇。
第一個聚簇主要圍繞量子物理實現(xiàn)技術(shù)，包括超導(dǎo)（Superconductivity）、NV色心（Color Center）、硅量子點（Silicon Quantum Dots）等。
第二個聚簇主要圍繞量子加密和通信技術(shù)，包括量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution）、量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation）、安全直接通信（Secure Direct Communication）、單光子探測器（Single Photon Detector）、量子克?。≦uantum Cloning）等。
第三個聚簇主要圍繞量子計算和量子信息學(xué)技術(shù)，包括量子算法（Quantum Algorithm）、搜索算法（Search Algorithm）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Networks）、深度學(xué)習(xí)算法（Deep Learning Algorithms）、糾錯算法（Error Correction）、量子圖像處理（Quantum Image Processing）等，在第二個和第三個聚簇交匯處出現(xiàn)量子測量領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)。
此外，量子退火（Quantum Annealing）、粒子群優(yōu)化（Particle Swarm Optimization）、可逆邏輯（Reversible Logic）、單光子探測器（Single Photon Detector）等關(guān)鍵詞位于詞云的邊緣，與量子計算和量子密碼學(xué)關(guān)系比較緊密，與其他主題的關(guān)系較弱。
隨著人們對量子信息技術(shù)的興趣日益高漲，對最近3年新增關(guān)鍵詞詞頻進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，科研方向出現(xiàn)了一些新的關(guān)注點，如量子霸權(quán)（Supremacy）、量子區(qū)塊鏈（Block Chain）、量子發(fā)射器（Quantum Emitters）、分布穩(wěn)?。―istribution Robust）、幾何自旋（Geometric Spin）、二維量子材料（Two-Dimensional Materials）、片上量子（On-chip）、量子納米光子學(xué)（Quantum Nano Photonics）等。除量子霸權(quán)外，這些新增關(guān)鍵詞都是以理論研究為主，如有科學(xué)家認(rèn)為利用跨時間的量子糾纏在未來的量子網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)高度安全的量子區(qū)塊鏈?zhǔn)侵档锰岢摹?/p>
3科研論文發(fā)文量持續(xù)上升，領(lǐng)先國家織密科研合作網(wǎng)絡(luò)
量子信息技術(shù)各領(lǐng)域論文年度發(fā)文量及國家排序如圖1所示。量子計算、量子通信、量子測量領(lǐng)域科研論文發(fā)文量持續(xù)上升。
圖1量子信息技術(shù)各領(lǐng)域論文年度發(fā)文量及國家排序（來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心）
（1）量子計算上升趨勢最明顯，來自美國科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的論文數(shù)量超過8000篇，位列第一；中國緊隨其后，超過4000篇；其次是德國、日本、英國、加拿大、法國、澳大利亞、印度等，這些國家是量子計算原始技術(shù)創(chuàng)新的主要來源。
（2）在量子保密通信應(yīng)用持續(xù)探索的同時，量子通信領(lǐng)域論文量也在持續(xù)攀升，其中量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)研究從理論探索開始走向?qū)嵱没撐臄?shù)量持續(xù)上升；量子隱形傳態(tài)（QT）的論文近年來相對保持平穩(wěn)，與其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸仍未取得突破有一定關(guān)系。從國家分布來看，中國科研機(jī)構(gòu)論文量位列第一，超過4000篇，其次是美國、日本、德國、英國、加拿大、意大利、澳大利亞等。國內(nèi)量子通信領(lǐng)域科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)形成梯隊，在全球發(fā)文量前25家中有10家是中國高校或科研單位?；F盧大學(xué)、新加坡國立大學(xué)、麻省理工學(xué)院、多倫多大學(xué)、日內(nèi)瓦大學(xué)等也有較多研究成果發(fā)布。
（3）量子測量論文量超過4000篇，美國科研機(jī)構(gòu)發(fā)文量位列第一，中國、德國、日本、英國緊隨其后。
縱觀量子信息技術(shù)論文合作情況，歐美的科研范式以集團(tuán)軍式的聯(lián)合研究為主，織密國家之間的科研合作網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合攻關(guān)項目，強化技術(shù)同盟的路線選擇（見圖2）。
圖2量子信息技術(shù)各領(lǐng)域科研論文合作關(guān)系網(wǎng)（來源：中國信息通信研究院知識產(chǎn)權(quán)中心）
在量子計算領(lǐng)域，美國與德國、加拿大等國在量子計算領(lǐng)域深化合作趨勢明顯，我國的中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)加快科研攻關(guān)，已位列全球量子計算發(fā)文量的前20名，其余機(jī)構(gòu)主要來自美國、英國、日本、新加坡、澳大利亞等國家。
在量子通信領(lǐng)域，中國已經(jīng)成為技術(shù)的引領(lǐng)者之一，并積極推動與加拿大、意大利及非洲等國家和地區(qū)的國際合作。
在量子測量領(lǐng)域，美國加州理工學(xué)院、德國蘇黎世聯(lián)邦理工有較多論文，我國的中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研單位在量子精密測量領(lǐng)域持續(xù)開展科研攻關(guān)，并開始步入量子測量論文發(fā)表數(shù)量的國際前沿行列。
4量子信息仍處于科研攻堅和產(chǎn)業(yè)化早期，預(yù)計相關(guān)專利將持續(xù)大量產(chǎn)生
量子計算、量子通信、量子測量領(lǐng)域的專利競爭態(tài)勢加劇[3-4]。近10年來，中國產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)在量子計算領(lǐng)域申請的專利量逐步趕超日本和加拿大（見圖3）?；趯＠治黾夹g(shù)生命周期發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域新增專利和新進(jìn)入者均持續(xù)上升，技術(shù)尚處于成長期（見圖4）。預(yù)計未來5年，新的專利將大量涌現(xiàn)。由于專利具有地域性，從目標(biāo)市場國/區(qū)域來看，截止到2020年9月底，47%的專利布局在美國，中國也以其龐大的市場吸引了除本土申請人之外的來自美國、日本、歐盟的“玩家”。從創(chuàng)新機(jī)構(gòu)類型來看，我國國內(nèi)高校和科研院所的專利申請占40%，而美國、加拿大的公司專利申請更活躍，隨著近年來我國高校和科研院所對于科研成果的商業(yè)轉(zhuǎn)化支持力度逐步增大，會進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合和協(xié)同創(chuàng)新。從技術(shù)方向來看，主要涉及量子計算軟硬件、量子算法、其他相關(guān)設(shè)備，以及超導(dǎo)、半導(dǎo)體、量子阱、光電子等物理實現(xiàn)技術(shù)。
圖3量子信息技術(shù)各領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔荩▉碓矗褐袊畔⑼ㄐ叛芯吭褐R產(chǎn)權(quán)中心）
圖4量子信息技術(shù)各領(lǐng)域?qū)＠芷冢▉碓矗褐袊畔⑼ㄐ叛芯吭褐R產(chǎn)權(quán)中心）
我國在量子通信專利儲備位列世界前列，專利申請加速產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。隨著基于量子秘鑰分發(fā)（QKD）的量子保密通信在全球開展多項試驗網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點應(yīng)用，科研成果已經(jīng)逐步進(jìn)入實際應(yīng)用階段，國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)積極推動“技術(shù)專利化”。我國從2012年之后，專利數(shù)量超過美國、日本等國家，且呈持續(xù)上升態(tài)勢。據(jù)統(tǒng)計，全球47%的量子通信技術(shù)專利申請來自中國，24%來自美國，12%來自日本。
從專利目標(biāo)市場國來看，除了本土申請外，中國還吸引了海外科技巨頭企業(yè)來華布局，成為專利申請受理最多的國家。從技術(shù)生命周期來看，近年來參與量子通信技術(shù)專利創(chuàng)新的機(jī)構(gòu)數(shù)量盡管仍在增加，但增幅較量子計算略為平坦，專利競爭者數(shù)量趨向穩(wěn)定。從專利技術(shù)分類來看，基于量子密鑰分發(fā)安全通信相關(guān)的信道、同步、偵聽、密鑰生成方法、數(shù)字簽名、身份認(rèn)證、密鑰協(xié)商過程等是專利申請的主要方向。量子密鑰分發(fā)（QKD）與行業(yè)結(jié)合的方向（如電動汽車智能充電網(wǎng)、公共交換電話網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、低空飛行器、量子加密終端、變電站等）也存在技術(shù)專利創(chuàng)新空間。從專利申請來看，量子通信與云計算、傳感網(wǎng)絡(luò)有更多結(jié)合空間。
雖然量子測量領(lǐng)域前景廣闊，但仍處于科研攻堅和產(chǎn)業(yè)化的早期，2014年之后，相關(guān)專利才出現(xiàn)逐步上升趨勢，與量子計算和量子通信相比，專利申請總量較少，并未出現(xiàn)大幅增長態(tài)勢。從技術(shù)生命周期來看，新進(jìn)入者逐步增多，但未出現(xiàn)大規(guī)模效應(yīng)。從專利技術(shù)分布來看，美國在多個分支技術(shù)均有專利申請，在超導(dǎo)、量子陀螺儀以及跨領(lǐng)域的應(yīng)用（如醫(yī)療診斷方面）均有專利布局，而國內(nèi)申請人在量子定位導(dǎo)航方向上的專利申請較多。
5未來趨勢研判
5.1量子科技領(lǐng)域國際合作將更加密切
縱觀量子信息領(lǐng)域論文國家合作網(wǎng)絡(luò)，歐美的科研范式以集團(tuán)軍式的聯(lián)合研究為主，充分利用其科技、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)先優(yōu)勢及地緣政治，鞏固量子科技“朋友圈”，建立了國家之間的科研合作網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合攻關(guān)項目，強化技術(shù)同盟的路線選擇，通過合作提升量子科技領(lǐng)域國際合作的層次和水平，構(gòu)筑學(xué)術(shù)交流、技術(shù)合作、創(chuàng)業(yè)投資和標(biāo)準(zhǔn)制定等方面的聯(lián)盟優(yōu)勢。
5.2量子信息領(lǐng)域?qū)＠麑⒋罅砍霈F(xiàn)
由于量子計算、量子通信和量子測量技術(shù)目前還尚不成熟，距離實用化還面臨多重挑戰(zhàn)，隨著各國量子信息技術(shù)競爭加劇，科研論文和專利布局的競爭態(tài)勢會越來越凸顯。從專利數(shù)量和申請人數(shù)量發(fā)展趨勢可以看出，技術(shù)發(fā)展仍處于成長期，未來或?qū)⒊霈F(xiàn)更多的“新進(jìn)入者”。
5.3量子發(fā)展戰(zhàn)略謀劃中將更加注重知識產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)布局
根據(jù)專利情況分析，美國、日本、歐盟、加拿大等國家和地區(qū)在量子信息多學(xué)科交叉融合和多技術(shù)領(lǐng)域集成創(chuàng)新方面都非常重視知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，科技巨頭和專業(yè)公司已經(jīng)圍繞關(guān)鍵技術(shù)廣泛申請專利，并持續(xù)加強海外專利布局。2020年10月16日，我國《專利法》第4次修改已通過國務(wù)院審議，加大了對侵犯專利權(quán)的賠償力度，加強了對專利權(quán)人合法權(quán)益的保護(hù)。從國家層面來看，在量子信息重大項目頂層設(shè)計中強化關(guān)鍵核心技術(shù)的專利質(zhì)量提升尤為重要，進(jìn)一步推動“技術(shù)專利化、專利標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化”。
5.4國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制，標(biāo)準(zhǔn)專利布局會更加密集
隨著ITU-T、ISO、IEC、IEEE、IETF等國際標(biāo)準(zhǔn)組織[5]圍繞量子計算、量子互聯(lián)網(wǎng)、量子通信、量子密鑰分發(fā)等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作相繼啟動，各國企業(yè)紛紛參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，推動相關(guān)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、試驗標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)研制。在新技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)研制過程中，各國技術(shù)主導(dǎo)者會更加注重標(biāo)準(zhǔn)專利的前瞻布局，爭取標(biāo)準(zhǔn)和專利的優(yōu)勢地位。
5.5量子概念升溫或引發(fā)資本市場進(jìn)入，企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)愈發(fā)重要
除科技巨頭外，量子信息領(lǐng)域有一批從研究機(jī)構(gòu)分離出來的初創(chuàng)公司，成為產(chǎn)業(yè)生態(tài)的“中堅力量”，資本市場將更加青睞那些掌握關(guān)鍵技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)的企業(yè)。因此，初創(chuàng)企業(yè)需要加強知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和風(fēng)險防御意識，適度超前布局專利，提前建立起技術(shù)產(chǎn)品的“專利護(hù)城河”，才有可能在量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局戰(zhàn)略背景下，成為推動我國量子科技發(fā)展的重要支撐。
6結(jié)束語
隨著量子信息技術(shù)應(yīng)用的探索推進(jìn)，量子信息技術(shù)已成為未來國家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。世界各國在加快量子信息技術(shù)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)的過程中，愈發(fā)重視創(chuàng)新成果的保護(hù)和運用，未來量子信息產(chǎn)業(yè)或?qū)⑽嗤度谫Y機(jī)構(gòu)加大投資力度。本文對全球量子科技領(lǐng)域?qū)＠暾埡涂蒲姓撐淖钚掳l(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，提出未來量子科技領(lǐng)域的國際合作將更加密切，科研論文和專利布局的競爭態(tài)勢也將越來越凸顯。
