李 英，劉建明

（1.廣東省科技干部學院，廣東珠海 519090；2.廣東省科學技術(shù)情報研究所，廣東廣州 510033）

量子信息是信息科學與量子力學相結(jié)合的新興交叉學科，以微觀世界的粒子作為操控對象，借助量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)等獨特物理現(xiàn)象進行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)［1］。近年來，量子計算、量子模擬、量子通信等量子信息主要技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破［2］。其中，量子計算、量子通信和量子測量是量子信息中具備科學研究價值、產(chǎn)業(yè)前景巨大的三大技術(shù)［3］。歐美日等發(fā)達國家為搶抓量子信息發(fā)展機遇，出臺了系列扶持政策，搶占量子信息技術(shù)戰(zhàn)略制高點。中國對量子信息技術(shù)也是高度重視，中共中央政治局專門就量子科技研究和應(yīng)用前景進行了集體學習，目前量子信息已被列入國家發(fā)展戰(zhàn)略。

1 文獻綜述

準確把握當前量子信息技術(shù)發(fā)展階段，分析量子信息關(guān)鍵技術(shù)對于制定量子信息發(fā)展戰(zhàn)略、推動量子信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展具有重要意義。劉小平等［4］等運用文獻計量學的共詞分析方法對量子信息領(lǐng)域發(fā)表的SCI 論文關(guān)鍵詞進行分析挖掘，提取量子信息科學的主要研究熱點。高芳等［5］基于SCI 論文和專利數(shù)據(jù)，對全球主要發(fā)達國家的量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢及其出臺的舉措進行了詳實分析，并對中國發(fā)展量子信息技術(shù)提出對策建議。張志強等［6］以SCI 論文作為數(shù)據(jù)源，基于文獻計量的方法，從量子信息的主要科研單位、人才隊伍結(jié)構(gòu)、科學家合作網(wǎng)絡(luò)等方面分析頂尖科研單位所在國家的量子信息綜合實力。田倩飛等［7］以Web of Science 數(shù)據(jù)庫論文為數(shù)據(jù)源分析量子計算的發(fā)展趨勢，從論文數(shù)量、主要國家、主要科研機構(gòu)和論文的機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)等情況進行了翔實的分析，并利用VOSviewer軟件挖掘量子計算領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞。孫浩林等［8］通過文獻計量分析德國和其他發(fā)達國家量子信息技術(shù)發(fā)展狀況，重點研究了德國政府對量子信息技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，總結(jié)德國好的經(jīng)驗做法，為中國發(fā)展量子信息技術(shù)提供相關(guān)對策建議。肖玲玲等［9］采用專利計量的分析方法，從專利申請情況、技術(shù)領(lǐng)域等方面對全球及中國量子通信技術(shù)的發(fā)展情況進行了分析。周武源等［10］基于德溫特數(shù)據(jù)庫和incoPat數(shù)據(jù)庫對量子計算專利申請趨勢、地區(qū)分布、技術(shù)領(lǐng)域進行了分析，并為中國發(fā)展量子計算提出了對策建議。楊秀麗等［11］基于incoPat 專利檢索系統(tǒng)分析全球量子通信專利申請趨勢和典型專利申請人，重點比較了中美日的專利申請情況，最后提出中國發(fā)展量子通信產(chǎn)業(yè)的對策建議。

論文是基礎(chǔ)研究實力的重要評價指標，適用于評價處于萌芽階段的技術(shù)。而專利作為重要的文獻資源，蘊含大量的技術(shù)發(fā)明信息，對于分析當前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及預測未來技術(shù)具有十分重要的作用［12］。在上述文獻的基礎(chǔ)上，本研究基于專利計量的相關(guān)理論方法,從宏觀到微觀，以點帶面，多角度對量子信息技術(shù)的專利申請授權(quán)情況進行分析，尤其是從專利的技術(shù)領(lǐng)域和高被引角度對中國與美國和日本等發(fā)達國家進行對比分析，深入挖掘中國的短板和不足，提出發(fā)展壯大中國量子信息技術(shù)的對策建議。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的專利數(shù)據(jù)來自智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫。本研究的主題是“量子信息技術(shù)發(fā)展趨勢”，借鑒中國信息通信研究院［13］發(fā)布的《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報告（2020 年）》，將量子信息主要分成量子計算、量子通信和量子測量，因此，專利數(shù)據(jù)檢索的關(guān)鍵詞為：(量子 $PRE2 (計算 or 算法or 軟件)) or (quantum $PRE2 (compution or algorithm or software)) or (量子 $PRE2 (通信 or 隱形傳態(tài) or 密鑰分發(fā))) or (quantum $PRE2 (teleportation or"key distribution")) or (量子 $PRE2 (測量 or 目標識別or 重力測量 or 磁場測量 or 定位導航 or 時間基準)) or(quantum $PRE2 (measurement or "target recognition" or"gravity measurement" or "magnetic field measurement"or "positioning navigation" or "time benchmark"))。檢索范圍為2000—2020 年的相關(guān)發(fā)明專利申請和授權(quán)量，檢索日期為2021 年10 月8 日。去除發(fā)明專利申請公開的重復數(shù)據(jù)，共檢索到12 049 條專利記錄。

2.2 研究方法

主要參考文庭孝［14］研究中采用的專利計量分析方法，從宏觀、中觀和微觀3 個層面對量子信息技術(shù)進行統(tǒng)計分析。其中，宏觀層面主要分析量子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢、國家或地區(qū)的專利布局情況；中觀層面分析量子信息技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域分布；微觀層面分析量子信息技術(shù)的典型機構(gòu)和高被引專利。

3 量子信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

3.1 量子信息技術(shù)發(fā)展趨勢分析

量子信息技術(shù)的發(fā)展大致可以分為兩個階段（見圖1）：2000—2012 年是平穩(wěn)發(fā)展階段，相關(guān)專利申請授權(quán)量一直在350 件以下，這個階段的量子信息技術(shù)處于實驗室階段，技術(shù)需求仍有待進一步發(fā)掘；2013—2020 年是快速發(fā)展期，相關(guān)專利申請授權(quán)量穩(wěn)步增長，到2017 年專利申請授權(quán)量首次突破了1 000 件。量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，主要是由于量子信息技術(shù)有可能突破經(jīng)典技術(shù)的物理極限，未來可能對傳統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)帶來顛覆式的創(chuàng)新，因此，世界主要國家積極搶占量子信息技術(shù)制高點，出臺一系列有利于量子信息技術(shù)發(fā)展的政策、投入大量研究人員和資金，構(gòu)筑量子信息技術(shù)發(fā)展新優(yōu)勢。例如，美國發(fā)布了《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》，對量子信息發(fā)展戰(zhàn)略進行規(guī)劃；英國分別在2014 年和2019 年啟動了國家量子技術(shù)計劃項目規(guī)劃，共投資約6.5 億美元［13］；德國在2018 年也部署了量子信息技術(shù)的項目，投入約7.2 億美元［13］；中國在2013 年啟動了量子通信領(lǐng)域重大項目“京滬干線”，該項目連接北京、合肥、上海，為全長2 000 多km的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)［15］。

圖1 全球量子信息技術(shù)專利授權(quán)量趨勢

近年來，量子信息三大領(lǐng)域創(chuàng)新活躍，專利授權(quán)量穩(wěn)步提升，尤其是量子計算和量子通信創(chuàng)新活動異常活躍，但2015 年后，量子計算、量子通信與量子測量出現(xiàn)了明顯分化（見圖2），主要是由于量子計算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了多點突破、成果紛呈。以美國谷歌、IBM、英特爾為首的科技巨頭在量子計算領(lǐng)域深耕細作多年，取得了一批豐碩成果，2019 年谷歌公司的量子計算原型機“懸鈴木”在求解隨機線路采樣問題上已經(jīng)超越了超級計算機，是量子計算機的里程碑事件。

圖2 全球量子信息三大領(lǐng)域?qū)＠跈?quán)量趨勢

3.2 地域分布

通過分析專利的地域分布可以一窺世界各國量子信息技術(shù)的研發(fā)能力。如圖3 所示，全球量子信息技術(shù)主要集中在中國、美國、日本、加拿大、韓國等國家，其中中國和美國的相關(guān)專利申請和授權(quán)量在全球范圍內(nèi)遙遙領(lǐng)先，且中國從2012 年起相關(guān)專利申請量反超美國，成為量子信息技術(shù)專利申請的第一大國。這主要得益于中國高度重視量子信息技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)出了一批具有國際影響力的量子科技成果，如量子衛(wèi)星“墨子號”作為重大科技成果寫入了黨的十九大報告。

圖3 世界主要國家量子信息技術(shù)專利授權(quán)量趨勢

從分技術(shù)領(lǐng)域來看，從2012 年開始，中美日三國的量子計算領(lǐng)域的專利授權(quán)量增幅明顯（見圖4），說明這3 個國家開始重視量子計算，且美國在該領(lǐng)域的專利數(shù)量優(yōu)勢明顯，中國則尾隨其后，在近年來發(fā)力直追美國。

圖4 中美日量子計算領(lǐng)域?qū)＠跈?quán)量趨勢

如圖5 所示，美國和日本在量子通信領(lǐng)域的專利比較多，起步早于中國，而在2012 年以后中國的量子通信技術(shù)相關(guān)專利數(shù)量穩(wěn)步提升，快速超越美國和日本，后發(fā)優(yōu)勢明顯，反觀美國和日本的相關(guān)專利申請數(shù)量一直比較平穩(wěn)、未出現(xiàn)較大的增幅。究其原因，主要是以中國科技技術(shù)大學、中國科學院為代表的科研院校取得了廣域量子通信技術(shù)的系統(tǒng)性關(guān)鍵突破，使得中國在量子通信上躋身世界領(lǐng)先行列，且相關(guān)創(chuàng)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，量子通信產(chǎn)業(yè)初具雛形。

圖5 中美日量子通信領(lǐng)域?qū)＠跈?quán)量趨勢

相比之下，量子測量領(lǐng)域的專利申請和授權(quán)量均偏少，但近年來還是呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，中美兩國增長幅度比日本稍大（見圖6）。

圖6 中美日量子測量領(lǐng)域?qū)＠跈?quán)量趨勢

4 量子信息技術(shù)領(lǐng)域情況分析

國際專利分類號（IPC）是國際通用的專利技術(shù)分類體系，通過對IPC 大組進行統(tǒng)計分析，挖掘量子信息的熱點技術(shù)。量子信息技術(shù)發(fā)明專利申請和授權(quán)量排在前10 位的IPC 大組類中（見表1），數(shù)量最多的H04L9 和排名第三的H04B10 是量子信息技術(shù)在數(shù)字信息傳輸?shù)谋Ｃ芑虬踩ㄐ畔嚓P(guān)的專利，即量子通信相關(guān)專利。量子通信可以有效防止信息被竊聽，主要應(yīng)用技術(shù)包括量子隱形傳態(tài)和量子秘鑰分發(fā)等技術(shù)。中國在量子通信領(lǐng)域的發(fā)明專利申請量和授權(quán)量全球遙遙領(lǐng)先，并取得了一系列的成果，如發(fā)射了全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，建成了世界首條量子保密通信干線“京滬干線”等，在量子通信領(lǐng)域處于絕對的領(lǐng)跑地位。未來中國可以繼續(xù)進一步發(fā)揚量子通信領(lǐng)域的優(yōu)勢，集聚全球量子通信資源和高端人才，打造世界級量子通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)高地。

表1 全球及中美日量子信息十大熱點技術(shù)發(fā)明專利申請和授權(quán)量 單位：件

排名第二的G06N10 是量子計算機相關(guān)的專利，全球共有1 922 件，其中美國就占了近六成，幾乎是中國的4 倍，可謂“一枝獨秀”。量子計算機是量子計算最重要的研究方向之一，其顛覆了馮諾依曼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)計算機，其強大的計算能力已經(jīng)超過現(xiàn)在的超級計算機，未來極有可能是新一代信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。

目前美國圍繞量子計算技術(shù)領(lǐng)域進行了周密的專利布局，可以推斷美國未來極有可能會主導全球量子計算技術(shù)的發(fā)展。日本的專利布局主要集中在量子通信和量子保密技術(shù)，這兩個方面的專利布局甚至比美國還多，未來可能與中國的量子通信形成競爭；同時日本也圍繞量子計算技術(shù)進行了一些專利布局，專利數(shù)量多于中國。中國的優(yōu)勢技術(shù)主要集中在量子通信，應(yīng)該進一步發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢，主導量子通信國際標準制定，在量子密鑰分發(fā)和量子保密通信等領(lǐng)域培育一批量子通信世界級領(lǐng)軍企業(yè)；在量子計算機等前沿量子計算領(lǐng)域則要奮起直追、補齊短板，加大研發(fā)投入。

5 典型機構(gòu)和高被引專利分析

5.1 典型機構(gòu)專利申請情況

量子信息專利數(shù)排名全球前10 位的申請人有一半是美國企業(yè)（見表2），前三強均為美國的科技巨頭企業(yè)，也是信息技術(shù)的國際龍頭企業(yè)，美國在量子計算機、超導量子比特、量子計算云服務(wù)等方面進行了全方位專利布局，積極搶占量子計算科技發(fā)展制高點。其中，IBM 公司在量子處理器硬件研究方面取得了一些突破，未來極有可能在量子計算機硬件領(lǐng)域獨占鰲頭；谷歌公司作為全球最大的搜索引擎服務(wù)提供商，在量子軟件（如量子機器學習）上取得了較大進展。上榜的日本企業(yè)——東芝公司和日本電氣株式會社也是國際知名科技巨頭，其專利布局主要集中在量子通信領(lǐng)域，且東芝公司的專利數(shù)略多于中國的科大國盾量子技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“國盾量子”），未來可能會在該領(lǐng)域與中國形成競爭；加拿大的D-Wave 系統(tǒng)公司是從事量子計算機研發(fā)的高科技企業(yè)，也是全球第一家實現(xiàn)商業(yè)化的量子計算公司，通過采用128 量子比特，其運行量子退火算法的速度已超過了超級計算機。中國有兩家企業(yè)進入前十強，在上榜企業(yè)數(shù)量上與日本并列第2 名。其中，國盾量子是從中國科技大學孵化出來的科技型企業(yè)，現(xiàn)已成長為國內(nèi)量子通信行業(yè)的龍頭企業(yè)；如般量子科技有限公司是從事量子計算研發(fā)和應(yīng)用的高科技企業(yè)。這兩家企業(yè)均還處于快速成長階段，未來有可能成為量子通信和量子計算的獨角獸企業(yè)，但是在資金和人才方面較國外的企業(yè)巨頭仍顯不足。因此，中國政府需要在量子信息科技領(lǐng)域設(shè)立重大科技專項予以支持，引導科技金融公司進行風險投資，加強相關(guān)企業(yè)與中國科學技術(shù)大學等量子信息科研力量雄厚的高校合作。

表2 全球排名前10 位的量子信息技術(shù)專利申請人及發(fā)明申請和授權(quán)量

5.2 高被引專利分布

參考邱均平等［16］的研究，將從申請公開后累計被其他專利引用次數(shù)超過60 次的被引專利定義為高被引專利。高被引專利在行業(yè)內(nèi)創(chuàng)新性強、具有啟發(fā)價值。通過智慧芽專利數(shù)據(jù)庫共檢索到29 件量子信息技術(shù)高被引專利（見表3），其中：美國有14 件、位居第一，被引用次數(shù)高達1 125 次，專利平均被引用次數(shù)達到80.4 次；加拿大有12 件，均來自D-Wave 公司，位居第2 位，被引用次數(shù)達到1 103 次；日本有兩件，分別來自東芝公司和高能加速器研究機構(gòu)。絕大部分的高被引專利均在美國申請保護，可以看出美國還是全球量子信息技術(shù)的絕對霸主。而中國尚未擁有高被引專利，說明中國的基礎(chǔ)性和奠基性量子信息專利還遠遠不夠，未來需要補齊短板，鼓勵高校、科研院所和量子信息小巨人企業(yè)加大研發(fā)投入，打通從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到成果產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)鏈條，基于國內(nèi)現(xiàn)有的量子信息重大科技創(chuàng)新平臺引才聚才，引導科技金融公司對量子信息獨角獸企業(yè)加大金融扶持力度；此外，組建企業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體，對于量子信息的高價值專利給予一定獎勵，鼓勵中國企業(yè)在全球范圍進行專利布局，搶占量子信息國際市場。

表3 全球量子信息技術(shù)高被引專利情況

表3（續(xù)）

6 結(jié)論與建議

（1）中國在量子信息領(lǐng)域的發(fā)明專利申請和授權(quán)總量已經(jīng)超越美國，并且在2012 年以后每年的專利申請量均超過美國，已成為量子信息全球?qū)＠暾埩孔疃嗟膰摇＃?）量子信息技術(shù)正處于發(fā)展上升周期，量子保密通信、量子計算機是研究熱點。（3）美國是量子計算領(lǐng)域強國，中國在量子通信技術(shù)領(lǐng)域稍占優(yōu)勢。（4）中國的PCT 專利申請量不及美國，且專利申請典型機構(gòu)不多、高被引專利數(shù)偏少。

借鑒世界主要國家發(fā)展量子信息的經(jīng)驗，結(jié)合中國的實際情況，提出以下幾點建議：

第一，加強對量子信息技術(shù)動態(tài)跟蹤，在量子信息技術(shù)頂層設(shè)計上下好“先手棋”。制定整體發(fā)展規(guī)劃，明確量子信息技術(shù)的重點發(fā)展方向；研判量子信息各技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢，制定各領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃、技術(shù)路線圖和時間表。圍繞量子計算和量子通信在北京、合肥布局一批量子科技重大基礎(chǔ)平臺，搶占量子信息技術(shù)制高點，把北京、合肥打造成全球量子信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)高地；重點發(fā)展量子通信技術(shù)、推進量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，積極探索量子保密通信技術(shù)在銀行、電信、公安、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的深度融合應(yīng)用。持續(xù)在量子計算上發(fā)力、補齊短板，以量子計算機的研發(fā)、推廣和應(yīng)用為核心，在量子計算機的芯片研發(fā)、操作系統(tǒng)和重要的量子軟件方面進行前瞻性布局。

第二，持續(xù)加強量子信息基礎(chǔ)研究，在新型舉國體制下開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，提高自主創(chuàng)新能力。圍繞量子計算機、廣域量子通信等前沿領(lǐng)域，以“十年磨一劍”的定力，甘坐冷板凳、敢闖“無人區(qū)”的創(chuàng)新精神深入開展基礎(chǔ)研究。優(yōu)化布局國家實驗室、國家重點實驗室等重大科技創(chuàng)新基礎(chǔ)平臺，依托高水平研究型大學、科研院所和科技領(lǐng)軍企業(yè)等戰(zhàn)略科技力量聚焦量子信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域，對重點難點問題開展基礎(chǔ)研究，打造引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的原始創(chuàng)新策源地。建立基礎(chǔ)研究的穩(wěn)定支持機制，設(shè)立量子信息專項基金，對前沿項目和具有潛力的項目給予重點支持，適當放寬經(jīng)費使用范圍和使用年限。優(yōu)化量子信息基礎(chǔ)研究科研考核評價體系，設(shè)定長周期、少考核的考評模式，改善“快出論文、快出成果”的浮躁科研氛圍。

第三，圍繞量子信息領(lǐng)域著力培養(yǎng)一批本土高端人才。在部分高校開展量子信息相關(guān)學科建設(shè)，打造多層次、不同體系的人才培養(yǎng)模式，力爭培養(yǎng)一批量子信息青年才俊。聚焦量子信息前沿研究方向，利用量子信息重大科技基礎(chǔ)設(shè)施平臺吸引世界級科學家，產(chǎn)出一批具有世界影響力的研究成果。進一步完善吸引量子信息外國人才制度，全方位引入量子通信、量子計算等領(lǐng)域的杰出科學家和工程師，對高端人才在入境簽證、子女落戶入學、醫(yī)療保障、稅收優(yōu)惠等方面提供便利措施。大力弘揚科學家精神，加強學風作風建設(shè)，重視培育量子信息青年科技人才，為科研人員提供潛心科研的政策保障和輿論環(huán)境。

第四，加快營造量子信息技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新環(huán)境。促進高校、科研院所和企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新，發(fā)揮量子信息領(lǐng)域龍頭企業(yè)帶動示范作用，整合上下游資源，積極構(gòu)建量子信息技術(shù)生態(tài)。加快量子信息產(chǎn)業(yè)標準化建設(shè)，積極參與量子計算、量子通信和量子測量等國際標準構(gòu)建。加速量子信息產(chǎn)業(yè)化進程，構(gòu)建以量子信息龍頭企業(yè)為主體、市場應(yīng)用為導向、大院大所和高校深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系，圍繞量子計算、量子通信技術(shù)領(lǐng)域孵化和培育一批中小型企業(yè)，打造一批量子信息產(chǎn)業(yè)集群。