全球量子技术专利格局概览

2024年1月 目录 引言 ....................................................................................3 量子技术全球专利家族格局 .....................................................8 “国际”专利家族格局 ...............................................................18 量子技术专利家族的欧洲情况 .............................................23 结论 ....................................................................................27 参考文献....................................................................................29 参考书目..................................................................................29 缩略语解释 ................................................................30 定义 ....................................................................................30 附录A：专利和专利申请语料库的创建........................32 引言 1.1 目标 本白皮书概述了量子技术领域的专利格局，并就量子计算、量子通信和量子传感等方面提供了更详细的信息。它还将审视欧洲相对于美国和中国所处的位置，并确定量子技术领域的主要参与者和趋势。 为此，本白皮书将考虑以下议程： • 首先，我们基于所有存续的专利家族，在量子技术领域建立专利布局（即可专利发明布局）；• 其次，我们聚焦于“国际专利家族”；这些是指至少有一个国家进行延伸（即除原属国之外）的专利家族，因为具有价值的专利家族通常会被延伸至原属国之外；• 第三，我们聚焦欧洲公司，并审查其在欧洲专利局提交的专利及专利申请的情况。 重要提示： 注意1：本研究基于截至2023年6月30日已公开的活专利和专利申请。读者应考虑到从首次提交到首次公开之间存在18个月的延迟。换句话说，本研究仅包括首次提交日期在2022年1月1日之前的专利家族。 注意2：量子技术领域在专利申请方面尤其活跃，因此专利家族的数量可能正在发生显著变化。例如，芬兰的IQM公司在2023年7月至11月期间发布了10项首次公开出版物，显著增加了其专利组合的规模。 注释3：在本研究中，“欧洲”指“地理欧洲”：包括27个欧盟国家以及英国、瑞士、挪威和冰岛。 1.2 什么是量子革命？ 以下是欧盟委员会对量子革命的描述（参考文献[1]）： 20世纪初的第一次量子革命中，科学家们学会了理解和应用量子力学的特性——分子、原子乃至光子、电子等更小粒子的相互作用。这最终使它们能够创造出晶体管、激光器和微处理器：这些是计算机、电信、卫星导航、智能手机、现代医学诊断等众多领域的核心技术。 • 如今，第二轮量子革命正在兴起。研究人员能够探测和操控单个粒子及其物理关联与相互作用，并构建利用底层量子力学特性的新技术和新系统。这些发展已推动多个不同领域取得重大技术进步，包括量子计算、传感器、模拟、密码学和电信。一个具有深远经济与社会影响潜力的全新量子技术世代正开始涌现。其中一些技术已进入研发阶段，而许多其他技术则将在未来数十年内得到开发。 欲了解更多信息，请参阅 Quantum | 欧洲数字未来塑造计划 (europa.eu) 的全文。 在本研究中，我们将采用以下分割方式：• 量子计算• 量子通信（量子密钥分发（QKD）与量子互联网）• 量子传感 1.3 量子计算概述 请注意，本段文字节选自《QuIC——战略性产业路线图》（参考文献[2]）。 量子计算是一种利用叠加、干涉和纠缠等量子效应，通过应用量子算法来解决问题的计算范式。该范式存在不同的变体。最常见的是基于数字门量子计算，其中量子算法被表示为量子电路——即应用于量子比特的一系列量子门。数字量子计算是通用的；也就是说，原则上 数字量子计算机能够解决任何量子算法，尽管目前可用的设备仍然相当有限。另一种范式是绝热量子计算，其中问题的解被编码为系统哈密顿量的基态，系统通过对其可调参数进行连续调制而演化为该解。这是一种模拟量子计算的变体，通常在类似于用于量子模拟的设备上执行。数字模型和绝热模型之间的等价性已被正式证明。量子模拟是一个通过计算方法或研究具有相似性质的另一个量子系统（而非直接测量感兴趣的系统）来确定分子或晶体等量子系统物理性质的过程。 1.4 量子通信概述 请注意，本段文字摘自“战略研究与产业议程”（参见[3]），该文件由量子旗舰计划于2022年11月发布。量子旗舰计划是一项大规模计划，在十年时间尺度上获得10亿欧元级别的资助。其目标是巩固和扩大欧洲在这一研究领域中的科学领导力和卓越性，启动量子技术领域的欧洲竞争性产业，并使欧洲成为该领域创新研究、商业和投资的热动且具吸引力的地区。 量子通信领域旨在设计工具和协议，以便在远距离用户之间交换量子信息。 在量子通信网络的一般渐进式框架内，随着日益复杂的硬件和软件催生出更高级的功能，该领域目前大致可分为两个领域： 1.近期技术主要聚焦于量子密钥分发（QKD）及其他在相对较短距离内即可实现类似功能阶段的应用。该技术已达到很高的技术成熟度等级（TRL），商业产品已面市。其主要应用之一是基于量子物理定律的安全性设计的加密方案。 2.长期研发，以解锁量子通信为全球用户带来的所有益处，具体包括实现远距离量子通信，并提供更高水平的 为用户提供功能。长期愿景是构建一个量子通信基础设施（或量子互联网），通过实现地球上任意两点之间的量子通信，提供全新的技术。与我们现在拥有的“经典”互联网协同，量子互联网将连接量子处理器，以实现经典通信所无法证明其不可能性的无与伦比的能力。 此类网络的主要组成部分将是： • 量子中继器：为了连接大陆距离的用户，可以使用量子中继器通过光纤网络生成长距离纠缠；• 卫星：对于超长距离骨干网络，可以使用卫星在网络的不同节点之间分发纠缠； 1.5 量子传感与计量 请注意，本段文字节选自《QuIC——战略性产业路线图》（参考文献[2]）。 量子传感和量子计量学基于利用自然界的量子特性、量子现象、量子态、它们的普适性和内在可重复性、相关物理量的量子化，或它们对环境变化的极高敏感性。将一个简单的量子系统与外部物理量耦合会改变系统的特性，从而允许测量该物理量。在大多数情况下，量子传感器利用简单量子系统的干涉特性。在最简单的情况下，这些是量子比特，即具有两个基态的系统。量子比特被初始化为制备好的叠加态，然后与待测量的外部物理量耦合。这种耦合以可定量测量的方式改变了该叠加的相位。在许多情况下，这些量子测量可以映射到外部物理量的值，与经典测量方法相比，实现了更高的绝对和相对精度。作为传感器的量子系统种类繁多，通常分为两大类：气体和固态。所有这些都具有特定的特性，并且是 对不同的物理量敏感，这使得它们适用于特定应用（例如，冷原子用于重力测量；金刚石或碳化硅中的缺陷用于高分辨率磁强测量）。 量子传感器的应用涉及许多不同领域，包括高精度光谱学、成像、重力测量或角速度测量、高分辨率显微镜、磁强计、时钟及其同步、定位或测温。 量子技术全球专利家族格局 2.1 专利家族格局：总体趋势 专利家族语料库的创建细节见附录A。 我们使用已定义的分割方式： • 量子计算• 量子通信（QKD和量子互联网）• 量子传感 下图显示了三个部分中专利家族的数量及其相应的权重： 接下来的几节将详细阐述这三个部分。量子计算和量子通信明显强于量子传感。 2016年至2021年期间，年均增长率相当强劲，总体约为35%（事实上，量子计算甚至高达50%！） 我们还可以评估每个国家或地区对上述部分的相对贡献。 图3：按国家/地区划分的每量子技术专利家族数量 图3显示，美国和中国实际上主要投资于两个不同的领域： • 美国：主要发展量子计算• 中国：主要发展量子通信 在欧洲，没有显著的特定关注点，我们观察到这三个细分市场相当均衡（而在其他地区，量子传感往往落后）。 我们将现在为每个部分提供更多细节。 2.2 量子计算：专利家族格局 2.2.1 按国家划分的主要指派方 注意：本部分中识别的专利家族仅基于G06N-010“量子计算”的CPC代码（及其任何子类别均不在此列）。 我们首先来看量子计算领域的主要受让方（颜色标示其原属国）： 传说：美国、中国、日本、加拿大、欧洲。 （注：在本图中，我们将Quantinuum视为一家美国公司，因其总部位于美国。） 很明显，IBM、微软、谷歌和英特尔等美国大公司在专利家族数量方面处于领先地位。从中国方面来看，百度 此外，Origin Quantum 也正争取进入前列，并且名单上也能看到许多中国学术机构。 转向欧洲，IQM在专利家族数量排名中位列第30位。 2.2.2 聚焦硬件分割 量子计算硬件的特性既体现在其支持的量子比特类型上，也体现在其能够运行的计算种类上。大多数集成商专注于通用量子计算应用（基于门系统）。量子退火器系统通常具有较窄的操作模式；然而，许多计算和模拟问题可以被重构以在这些系统上运行。 根据参考文献[1]，我们采用以下分割方式： • 超导量子比特• 自旋/硅量子比特• 离子阱量子计算机• 中性原子/冷原子量子处理器• 光子量子比特 在量子计算领域，我们筛选了与“量子比特”相关的、属于每个硬件细分领域的专利家族。这项搜索涵盖了约31%的量子计算活跃专利家族。这当然只是一个指示，但它清晰地表明了这些不同技术的相对重要性。 在该语料库中，超导量子比特目前占据了与硬件量子计算相关的专利家族的六分之二，并且美国公司占据明显优势。 如果我们只关注这些硬件细分领域的公司和学术机构，情况如下： 在受托人之间的竞争中，美国公司处于领先地位，其中一些“纯粹参与者”专注于量子计算，例如 D-Wave Systems、IonQ、Rigetti 和 PsiQuantum。 值得注意的是，IQM芬兰是这张图表中唯一一家欧洲公司，其主要投资于超导量子比特。 然而，我们应当意识到，目前许多其他初创公司正在申请专利，以扩大其专利组合。 同样重要的是要记住，从首次提交日期到首次公开日期之间存在18个月的延迟。 当然，当然还有许多其他可能的分割方式，例如使用错误检测/纠正、量子算法的类型等。 2.3 量子通信：专利家族格局 如第 Error! Reference source not found.节所述，量子通信整合了量子密码学（包括QKD）和量子互联网。我们故意排除了“后量子密码学”，因为该术语描述的是能够抵御量子计算机潜在加密攻击的古典技术。 下图显示了量子通信领域的主要承揽方（颜色标示了其所属国家）： 传说：中国，日本。 很明显，量子通信领域主要由中国和日本主导。 与量子密钥分发（QKD）相关的专利家族目前约占所有专利家族的80%（因此量子互联网也约占20%）。 2.4 量子传感：专利家族格局 下图显示了主要受托方（颜色表示原产国）： 传说：美国、中国、韩国、欧洲。 欧洲派驻人员中包括法国原子能与替代能源委员会（CEA）、泰利斯（Thales）、博世（Bosch）和元素六技术公司（Element Six Technolo