量子通信技术专利布局及发展趋势研究

2021-08-06刘丹何理

信息通信技术与政策 2021年7期

刘丹何理

(国家知识产权局专利审查协作北京中心，北京 100160)

0 引言

量子通信是利用微观粒子的量子态或量子纠缠效应等进行密钥或信息传递的新型通信方式，其典型应用形式涵盖量子密钥分发、量子隐形传态。其中，量子密钥分发是利用量子态来加载信息，借助相关的协议在通信双方共享密钥；量子隐形传态是利用量子纠缠来直接传输微观粒子的量子状态，但不传输微观粒子自身。相对于传统通信方式而言，量子通信的安全性是传统通信无法比拟的，在军事、政务、国防、证券、税务等诸多领域具有重大的应用价值和光辉的前景，近年来受到人们的广泛关注。

本文利用德温特世界专利索引(Derwent World Patents Index，DWPI)数据库从各国申请量、专利合作条约(Patent Cooperation Treaty，PCT)数量、国际专利分类(International Patent Classification，IPC)号以及申请人分布等角度对全球量子通信领域的专利数据进行分析，有助于业界明确量子通信领域的专利布局和发展趋势，为企业确定研发领域和重点研发方向提供借鉴。

1 量子通信领域专利申请量及PCT数量

在DWPI数据库中利用检索式“(quantum communication) or (quantum key) or (quantum channel?) or (quantum entangl+) or (quantum and (kd or qt)) or (entangled photon) or (photon entanglement) or (quantum and teleportation) or (quantum cryptography) or (quantum and (key distribution)) or (quantum and teleport+) or (quantum network) or (quantum satellite?) or (quantum gateway) or (quantum relay) or (quantum random number) or (quantum random switch) or (quantum switch) or (quantum and (single photon)) or (quantum encryption)”进行检索可知，截至2021年5月27日，量子通信领域专利申请量为4232件。从图1可以看出，单纯从量子通信领域各国公开的专利申请量看，中国公开的专利申请量大幅领先，排在中国之后的是美国、日本、韩国，且中国公开的专利申请量超过美国、日本、韩国公开的专利申请量之和，英国、澳大利亚、印度、德国、加拿大、俄罗斯等国公开的专利申请量依次小于韩国公开的专利申请量。一般来说，通过PCT途径提交国际专利申请为该申请进入多国打开了方便之门，简化了单独向多个国家提交申请的手续，节省了申请费用和精力，申请人乐于通过这一方式在多国寻求专利保护。从通过PCT途径进入各国的量子通信领域专利申请数量看，美国以458件的申请量居第一，中国、日本分别以247件和227件的数量分居第二、第三位；其次是韩国、澳大利亚、加拿大、印度、德国、英国、俄罗斯。美国、中国、日本、韩国等在PCT数量上的优势一方面反映了上述各国在量子通信领域获得了长足发展，技术创新能力得到了提升；另一方面也反映了世界各国专利保护意识在不断增强，纷纷希望通过PCT这一专利申请方式布局潜在的市场，以争取量子通信这一前沿领域的国际话语权和最大的市场份额。

图1 DWPI数据库中不同国家量子通信领域专利申请量及PCT数量

2 量子通信专利申请公开量年度分布

图2给出了DWPI数据库中公开的量子通信领域的专利申请量年度分布状况，在一定程度上展现了量子通信的技术发展脉络。量子通信的技术发展大致可以分为以下几个阶段。

图2 量子通信领域专利申请公开量年度分布

2.1 起步阶段(1994—2000年)

通过检索DWPI数据库可知：1994—1999年，每年公开的量子通信领域专利申请量均小于7件，到2000年该申请量还只有10件；英国、美国在量子通信的研究方面起步较早并且专利保护意识超前，其作为量子通信技术的发源地，占据了大部分的早期申请，如1994年公开的英国电讯有限公司申请的WO9408409A1、WO9415422A1分别涉及单信道量子密码技术、使用量子密码术的通信方法，IBM申请的US5307410A涉及量子密钥分发系统，加州理工学院申请的US5339182A涉及采用光学参量放大器产生单光束对。

2.2 稳步增长阶段(2001—2015年)

自2001年以来，量子通信领域的专利申请量进入稳步增长阶段，这一阶段美国的专利申请量高居榜首，其次是中国、日本、韩国。如图2所示，2001—2006年，量子通信领域的专利年度公开量由17件增加到95件；2007—2015年，该公开量由118件增加到189件；2009年前后的七八年内，该公开量一直徘徊在百件左右。

2.3 快速增长阶段(2017—2021年)

2016年，中国科学技术大学潘建伟带领课题组完成了“墨子”号卫星横跨1200 km距离的星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态实验。“墨子”号卫星的上述成果证实了更大尺度量子通信网络的可操作性，为进一步搭建广域量子通信网络提供了良好的基础。2018年12月，美国国会高票通过涵盖量子通信系统的《国家量子倡议法案》。2019年12月，俄罗斯提出国家量子行动计划，拟在接下来的5年内注资7.9亿美元，主要推进量子技术创新。2020年2月，美国白宫官网发布《美国量子网络战略构想》，提出美国将开辟量子互联网，以保证量子信息技术惠及大众。2020年3月，“欧盟量子技术旗舰计划”发布战略研究议程，明确表示将推动建设欧洲范围的量子通信网络，拓展和完善现有数字基础设施，为未来的“量子互联网”远景打下坚实的基础。2021月3月，中国发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，旨在聚焦人工智能、量子信息等战略领域，实施一批前瞻性的国家重大科技项目，在量子计算、量子通信等前沿技术领域加快布局。在各国政府的重视以及上述事件的推动下，量子通信领域的技术研究得到长足发展，该领域的专利申请量快速增长。考虑到从申请到公开具有一定的滞后期，可以预测2021年的量子通信领域专利申请量还会上升。

3 量子通信领域IPC号分布

国际专利分类是国际上通用的专利文献分类法，通过IPC号，可以便捷地检索出某技术领域的专利信息。对量子通信领域的专利申请的IPC号进行统计，有助于明确专利申请集中的领域和技术发展趋势。如图3所示，量子通信领域专利申请量位居前列的IPC号详情如下。

图3 量子通信领域专利申请的IPC号构成分布

(1)H04L：数字信息的传输，例如电报通信。

(2)H04B：传输。

(3)G06F：电数字数据处理。

(4)G02F：用于控制光的强度、颜色、相位、偏振或方向的器件或装置，例如转换器、选通器、调制或解调器，该类器件或装置的光学操作是通过改变器件或装置的介质的光学性质来修改的；用于上述操作的技术或工艺；变频；非线性光学；光学逻辑元件；光学模拟/数字转换器。

(5)H01L：半导体器件；其他类目中不包括的电固体器件。

(6)G06N：基于特定计算模型的计算机系统。

(7)G02B：光学元件、系统或仪器。

(8)H04J：多路复用通信。

(9)G01J：红外光、可见光、紫外光的强度、速度、光谱成分，偏振、相位、脉冲特性的测量；比色法；辐射高温测定法。

(10)H04K：保密通信。

(11)B82Y：纳米结构的特定用途应用、纳米结构的测量或分析、纳米结构的制造或处理。

从IPC号的构成分布中可以看出，DWPI数据库中量子通信领域的专利申请主要集中在H部(电学)、G部(物理)。其中，H部主要集中在H04L、H04B，其中具有H04L的专利申请量为2646件，占量子通信领域专利总申请量的62.5%；G部主要集中在G06F、G02F、G06N、G02B。需要特别指出的是：IPC中有一个和量子通信相关的分类号：H04B10/70，即光子量子通信。

4 量子通信领域全球主要申请人分布状况

从全球范围来看，DWPI数据库中量子通信领域申请量前15位的机构分别是：科大国盾量子技术股份有限公司、东芝公司、NEC、国家电网有限公司、北京邮电大学、日本电信电报株式会社、华南师范大学、电子科学研究院、中国科学技术大学、神州量子网络有限公司、MagiQ、清华大学、问天量子科技有限公司、九州量子信息技术公司、山东量子科学技术研究院有限公司。其中，科大国盾量子技术股份有限公司在该领域的专利申请量为137件，位居第一；其次是东芝公司、NEC，专利申请量分别为118件和100件。

4.1 量子通信领域中国主要申请人分布情况

客观地说，相较于欧州、美国、日本，我国在量子通信领域的研究较晚，但是经过多年的努力，我国量子通信技术已经从实验室研究走向产业化阶段。从申请量来看，我国竞争力较强的公司、研究机构如图4所示。可见，目前我国已经初步形成从量子通信设备的生产到量子通信传输网络的建设以及量子通信网络运营与应用的产业链。从量子通信核心设备的制造来看，科大国盾量子技术股份有限公司、问天量子科技有限公司、山东量子科学技术研究院有限公司、华为技术有限公司、循态信息科技有限公司等具有较强的研发优势。从量子通信网络建设来看，国家电网有限公司、神州量子网络有限公司、九州量子信息技术公司、北京中创为量子通信公司、江苏亨通光电公司位居前列。从高校、研究机构的申请量来看，北京邮电大学、华南师范大学、电子科学研究院、中国科学技术大学、清华大学、中南大学、上海交通大学、苏州大学、成都信息工程大学、北京大学等排名靠前。其中，科大国盾量子技术股份有限公司目前拥有最多的量子通信领域专利申请，研发的产品涉及核心器件、网络设备、终端设备、系统性的管控和应用软件等，并提供整体解决方案。2017年，科大国盾量子技术股份有限公司为世界首条量子保密通信干线“京沪干线”提供产品和技术支持，借助两者的天地链路，我国在世界上首次成功实现洲际量子保密通信。近年来，国家电网有限公司投入巨大的人力、物力布局量子通信。从2012年起，国家电网有限公司就将量子通信技术应用到电网运营中并进行了重要探索，目前国内电力领域核心的业务数据信息已经能够利用量子保密通信技术，实现在京沪两地灾备中心之间的加密传输，并复用京沪干线沿线量子城域网，开展基于量子保密通信技术的内部办公和对外业务的安全防护。此外，北京邮电大学多个课题组正在进行量子通信的研究，方向集中在量子密钥分配方法、量子网络构建、量子密码安全以及单光子源研制上。

图4 量子通信领域中国专利申请量前20的公司

4.2 量子通信领域日本主要申请人分布情况

从图5可以看到，在日本，东芝公司、NEC，日本电信电话株式会社、三菱株式会社、本田技研株式会社、日立公司、日本科学技术振兴机构、日本国立情报通信研究机构、冲电气工业株式会社、东京大学的量子通信相关专利申请量占据较大市场份额。

图5 量子通信领域日本专利申请量前10的公司

东芝公司擅长高速电路设计和模拟电路设计，在高速量子密钥分配方面的能力领先，其早期的授权专利涉及用于量子通信的光子源，相应的专利公开号为GB2354368B、GB2362261B。1991年，东芝公司启动量子通信研究，目前已掌握世界最快速度的传输密钥技术并正朝实用化方向迈进。2020年1月，东芝公司宣布与日本东北大学成功地进行了传输人类遗传信息完整数据的试验，该试验利用收集到的DNA样本在仙台市实施。东芝的基因组解析设施与设备的据点通过约7 km的光纤连接，分两次将容量达百GB的24人份数据进行传送，从发送整个基因组数据到解密这一进程不超过2 min。因此，东芝公司被称拥有“全球最快”的量子密码技术。

NEC是一家在量子通信性能和可靠性上处于领先水平的公司。其早期授权专利是JP3646561B2，涉及一种量子通信网络，在安全通信网络的发送器站点，第一相干光脉冲序列由相位调制器以随机比特序列进行相位调制，并且与第一相干光脉冲序列同步的第二相干光脉冲序列由光传感器转换为相干状态的叠加；调制器和换能器的输出被多路复用并通过光通信链路传输；在接收器位置，零差检测器接收发射的光脉冲序列，并检测随机位序列和量子态的叠加。NEC后期的专利授权集中在控制随机数质量的电路和方法(JP4883273B2)，具有基站的量子保密通信系统(JP4622866B2、JP4632652B2)，量子密钥分配系统(JP4632652B2、JP4748329B2、JP4662040B2、JP2011146886A、JP5660169B2、JP5196093B2)，光发射器(JP4462806B2、JP4893961B2)，光子检测电路(JP4748311B2)，光调制器(JP6343880B2)，量子纠缠光子对发生器(JP4867621B2)，相位编码器(JP2010028528A)，量子密码装置(JP5041174B2、JP4935995B2)等。

4.3 量子通信领域美国主要申请人分布情况

20世纪90年代初期，IBM公司以10 bit/s的传输速率率先在实验室中实现世界上第一个量子信息传输，拉开了量子通信实验研究的序幕。迄今为止，美国MagiQ、惠普公司、康宁股份有限公司、麻省理工学院、美国电话电报公司、哈佛大学、加利福利亚大学、微软公司、UT巴斯特有限公司的申请量处于前列(见图6)。

图6 量子通信领域美国专利申请量前10的公司

美国MagiQ是成立于1999年的私人公司，产品主要包括光纤、高速电子器件和射频、软件等。在量子通信方面，MagiQ的授权专利的主题涵盖：量子密钥分配系统(US7227955B2、US7606371B2、US7221812B2、US7233672B2、US7450718B2、US7447386B2、US8059964B2、US7620182B2)，量子密钥分配系统的光脉冲生成和校准(US7242775B2、US8098826B2、US7577254B2、US7529373B2)，调制器的定时和校准(US7720228B2)，量子密钥分配系统中统计信息的显示(US7391867B2)，量子密钥的生成和管理(US7646873B2、US8340298B2)，量子密钥分配系统的双模脉冲发生器(US7233187B2)，单光子源(US7359514B2、US7492904B2)，用于量子密钥分配系统的光纤干涉仪(US7254295B2)。惠普公司的专利授权主题主要集中在偏振纠缠光子源、量子中继器、量子密钥分发方法及系统。

除中国、日本、美国之外，其他国家量子通信领域专利申请量排名全球前10位的公司主要分布在韩国、马来西亚、瑞士、英国和芬兰。在韩国，申请量处于前列的公司、高校有韩国电子通信研究院、韩国科学技术研究院、庆熙大学、SK电信有限公司等。此外，马来西亚微电子系统有限公司、瑞士ID Quantique有限公司、英国电讯有限公司、英国QinetiQ有限公司、芬兰诺基亚公司、日内瓦大学也有一定的申请量。

5 我国量子通信发展现状及建议

随着各个科技强国竞相把量子通信技术认定为国家战略范围的前瞻性技术，积极协调各方研究力量和资源，量子通信迈入产业化和实用化的快速发展轨道。就我国来说，在校企协作方式、产业支持政策等方面积累了一定的经验，但是在关键器件、专利布局以及标准制定方面存在薄弱环节，具体表现在以下几方面。

(1)近年来，一批由研究机构孵化的量子通信初创型企业开始探索量子加密和量子信息安全领域的产业化推广与应用。在安徽，以中国科学技术大学为技术依托创立的科大国盾量子技术股份有限公司和问天量子科技有限公司，致力于将实验室的科研成果转化为产品服务于社会，能够提供量子信息安全系统整体解决方案，同时在量子通信专利布局方面也具有较强的实力和技术储备，为业界提供了可供参考的良好经验，其科研管理、运营模式应在全国其他地区大力推广。

(2)目前，由于系统协议、关键器件和后处理算法等方面的限制，量子密钥分发系统的传输能力和密钥成码率有待进一步提高，同时量子密钥分发设备系统的真正实用化还有提升空间。例如，偏振调制型设备在光纤链路中的抗干扰能力还需进一步增强；单光子探测器抗低温、抗机房环境温度变化的敏感性还有待进一步提高。出于量子通信系统设备工程化和实用化的需求，应重点开展量子器件(如高性能单光子探测器、高速随机数发生器、单光子和纠缠光子等量子光源、量子中继器)、后量子加密算法、量子通信与经典通信融合传输网络的研究工作。

(3)量子通信的优势在于安全性高、难以窃听，今后量子通信产业要把握这一优势，重点推进国防、军事、政务、金融等方面的应用，强化应用研究的带动作用，进一步促进量子通信技术的实用化。

(4)企业、高校不仅是技术创新的重地，也是专利申请的主体，要拥有全球知识产权保护的视野，提升借助专利申请对科技成果进行专利保护的意识；对于核心专利、与标准有关的专利，要积极寻求专利保护，从而掌握产品和产业的主动权。