国际量子密码技术专利发展态势与热点分析*

李非凡

（北京工业大学图书馆，北京 100124）

近年来，美国、欧盟等高度重视量子技术发展，通过出台政策文件、成立研究机构、支持量子科技研究等方式加大对量子研发的投入，促进量子科技研发和产业发展。2018年10月，欧盟正式启动总经费高达10亿欧元的“量子技术旗舰计划”，该计划的长期愿景是在欧洲建设一个通过量子通信网络连接起所有的量子计算机、模拟器与传感器的Web［1］。2020年2月，美国白宫网站发布《美国量子网络战略构想》，提出开辟量子互联网，确保量子信息科学惠及大众［2］，并于8月财政拨款超过10亿美元，建立12个新的人工智能和量子信息科学研究所。我国在“十三五”规划中就明确设立“量子通信与量子计算机”重大科技项目［3］，2016年发射“墨子号”量子通信卫星，2017年率先建成“京沪干线”，实现了全球首次洲际量子通信。“十四五”是量子信息快速突破关键时期，预计在量子通信方面构建万丈的天地一体广域量子通信网络技术体系［4］。

保证量子通信技术绝对安全的核心和关键在于量子密码技术。量子密码技术是利用量子纠缠效应、量子不可克隆等特性，实现保密通信和安全认证的技术，是传统密码学和量子物理结合的产物。具有对抗量子计算攻击、传输距离超远、容量超大等特点。其应用已逐步从理论走向实用化、商业化和产业化。

论文和专利作为主要的科技文献，是情报信息工作和科技工作结合的产物，其中专利是技术创新的动力与源泉，利用文献计量学的方法分析量子密码领域的专利，可为研究量子密码技术热点和布局提供新的视角。高芳［5］对量子信息领域的专利数据进行基本的定量统计分析。刘小平［6］对量子信息领域的SCI论文进行关键词共现分析，挖掘研究热点。张倩［7］对全球量子信息领域专利申请和科研论文最新发展趋势进行分析。张志强［8］利用文献计量学方法，采用多项指标，通过论文产出情况分析全球量子信息技术研发态势。李海英［9］利用科技文献对量子密码领域的趋势、地域、机构和期刊进行分析。然而，量子密码技术已逐步从理论走向产业化和商业化，基于专利视角能够更为清晰挖掘全球量子密码技术的竞争态势与竞争格局。

本文基于专利数据，运用计量学方法对全球量子密码技术的整体趋势、地域和核心企业进行分析，运用分析软件对技术主题进行分析，全面跟踪和预测全球量子密码的研发热点和技术布局，以便为国家制定量子密码产业政策和发展方向提供数据支持，为企业和科研机构开展技术研发、专利技术布局及转化提供帮助，为我国知识产权保护提供建议。

1 数据来源及分析工具

本文利用智慧芽（PatSnap）［10］进行量子密码技术的专利数据检索，通过德温特数据分析工具（Derwent Data Analyzer，DDA）、合享（Incopat）数据库和Excel软件进行数据分析。

检索策略：TAC_ALL：（量子密码 OR量子保密通信 OR quantum$PRE0 cryptography OR quantum$PRE0 key OR quantum$PRE0 Secure$PRE0 Communication OR quantum$PRE0 password OR quantum$PRE0 cipher OR quantum$PRE0 encrypt*）。检索范围包括中国国家知识产权局、欧洲专利局、日本特许厅、美国专利局，检索日期为2021年8月23日，对检索结果进行合并处理，共得到4473条记录。

2 全球量子密码领域专利技术发展现状

从专利类型来看，量子密码领域共有发明专利4049件（占90.6%），实用新型专利395件（8.84%），外观设计专利25件（0.56%）。从法律状态分析，有效专利1670件（占37.37%），失效专利1054件（占23.58%），审查中专利1217件（占27.23%）。下文分别从专利申请时间趋势、专利技术构成与地域分布、核心专利申请人等方面进行详细分析。

2.1 专利申请趋势分布

国内外量子密码专利申请量随年度的变化情况如图1所示。需要说明的是，由于发明专利通常在申请之日起18个月内公开，公开后数据整理入库也需要一定时间，因此，统计的专利数据会有一定的滞后。

图1 全球量子密码专利申请趋势Fig.1 Global Quantum Cryptography Patent Application Trend

可以看出，量子密码最早萌芽于1993年，该时期主要是对量子密钥分发技术进行以理论研究和试验探索为主的基础性研究。直到2001年，专利数量才有了大幅度提升。2001—2010年间，国内外专利申请量呈波动式增长。2011年之后，申请量处于高速增长状态，在这期间专利申请量与专利申请人数量急剧上升，有美国MagiQ科技公司、日本三菱电机株式会社等多家科研力量雄厚的公司，以及中科院等国内众多科研单位参与。2018年以后，随着美、欧、英、日、韩量子通信研发及试点应用的发展，研发主体也较为稳定，专利申请数量持续增多。

我国量子密码技术专利起步较晚，中国科学院于2001年在中国申请了第一个专利“经典信号同步延时的复合量子密钥分发系统及其双速协议”［11］。之后的十年（2001—2010年），我国量子密码技术专利申请数量稳步增长，2010年申请数量达到顶峰。2010—2015年，我国专利申请量开始成数倍增长。在2013—2015中，每年都有超过50个专利成功申请。其中，科大国盾量子技术股份有限公司（前身安徽量子通信技术有限公司）的崛起，成为我国第一家从事量子信息技术产业化的创新型企业，在我国量子专利市场处于领跑地位。2017年起，国内申请量已经反超国外，且优势越来越明显，目前我国量子密码技术正处于高速高尖端发展阶段。已经攻克的技术难点逐步从实验室走出，带到实际应用，取得世人瞩目成果［12］。

中国从2010至今已经实现“弯道超车”。国内企业和研究机构加强合作，共同推进产业化，为中国量子密码技术及通信事业做出了巨大贡献［13-16］，开创了我国量子时代新纪元。

2.2 专利技术与地域布局

通过统计专利的IPC分类号可以掌握专利申请的技术领域分布情况。表1是基于IPC小类统计的全球量子密码技术专利主要涉及的研究领域。可以看出，国际量子密码技术领域专利申请近半集中在密钥分配（H04L9/08），也有部分申请涉及光子量子通信（H04B10/70）和同步的或最初建立特殊方式的发送和接受密码设备（H04L9/12），分别占总量的14.69%、8.07%。其中量子密钥分配是最早被提出、理论最完善、发展最成熟的研究领域，也是目前专利申请最集中的领域，光子量子通信次之。

2011年以后，密钥分配（H04L9/08）以及光子量子通信（H04B10/70）是位居量子密码领域专利申请量前2位的技术方向，尤其在密钥分配技术领域，增速明显，竞争激烈；而同步的或最初建立特殊方式的发送和接收密码设备（H04L9/12）的相关研究已经走下历史舞台，申请人几乎都不再在该技术领域投入太多的研发精力。因此，预计在未来的几年，密钥分配以及光子量子通信技术仍然是研究热点。

为了解全球量子密码技术专利的地域分布和流向，绘制图2。其中，最左列为全球量子密码在五局的专利申请总量，中间列为优先权所属国家/地区，表明专利技术的起源，是专利申请人首次申请所属的国家/地区，其数量反映相应国家在该技术领域的研发实力。最右列为专利受理局，表示目标市场国/地区，申请量反映了该目标市场的受关注程度及战略布局。

由图2可见，美国和中国的申请量最大，远超其他国家/地区，是量子密码技术主要来源国。除在本国外，日本在美国布局的专利数目最多（82件），占全部专利的19.5%。而中国，93.8%的专利都在本国，极少向其他国家布局。这一方面说明中国申请人对本国市场的重视，另一方面说明其缺乏全球视野，忽视对全球的布局。在我国布局专利最多的其他国家是美国（37件）、其次是日本（26件）。

图2 全球量子密码技术专利五局流向图Fig.2 Flow Chart of the Five Global Patent Offices of Quantum Cryptography

结合量子密码技术领域优先权国/地区和技术分类号绘制五大局的技术分布图。如图3所示，美、中、欧、日、韩均在 H04L/08（密钥分配）领域布局最多，其中美国和日本相对来说布局分布比较均衡，在核心技术上都有申请，美国较为注重在H04L9/00（保密或安全通信装置）领域布局，日本注重在H04L9/12（同步的或最初建立特殊方式的发送和接收密码设备）布局。而中国除了H04L/08（密钥分配）核心领域外，其他技术领域均鲜少涉及。

图3 全球量子密码专利五大局的技术分布Fig.3 Technology Distribution of the Five Major Patent Offices in the World for Quantum Cryptography Patents

结合五局流向和技术分布图可以看出，美国、日本在全球量子密码技术领域已经形成了较为严密的专利布局，并且很重视在中国的专利布局。而中国绝大部分专利在本国申请，海外申请量极少，且专利申请的布局也不均匀。

2.3 核心专利申请人分布

为了解全球范围内量子密码领域技术创新主体的分布及其申请态势，对专利申请量排名前十的申请人情况进行分析。从图4可以看出，排名前十的专利申请人都来自中国（8个）、美国和日本。这也佐证了我国在量子密码领域的领先技术地位。我国量子密码技术起步于高校，有较强的理论基础，专利申请数量众多。北京邮电大学、华南师范大学和中国电子科技集团电子科学研究院等科研机构在量子研究方面有着带动全国高校的势头。2000—2010年，国内兴起了许多从事量子密钥分发、量子通信技术、量子信息产业化的著名科研公司。例如科大国盾、安徽问天、浙江神州等，其中浙江神州量子网络科技有限公司专利授权率最高。阿里巴巴集团控股有限公司在电子商务、网上支付等方面处于国内的领先位置，对于保密通信深有研究，专利布局的起步也相对较早。国外排名前两位申请人为美国MagiQ科技公司（MagiQ technologies inc）和日本的电气株式会社（Nec Corp）。与我国不同的是，美国和日本的企业申请量比高校申请量多。

图4 全球量子密码专利核心申请人分布Fig.4 Distribution of Core Applicants for Global Quantum Cryptography Patents

根据IncoPat［17］对核心申请人的价值度进行分类（表2）可以看出，在量子密码领域，我国的高价值专利集中分布在4～9分，相比于美国MaqiQ科技公司和日本电气株式会社相对集中在10分左右，我国还是有较大的差距。其中浙江神州量子网络科技有限公司、华南理工大学、北京邮电大学的高价值专利占比较多，专利价值度多集中在7～9分，阿里巴巴集团控股公司专利质量表现不俗，10分高价值专利占比高达57%。

表2 全球量子密码核心申请人专利价值度分布Tab.2 Patent Value Distribution of Core Applicants for Global Quantum Cryptography

在技术领域上，核心专利申请人对应的IPC分类如图5所示。排名前十的专利申请人都集中分布在密钥分配（H04L9/08）。但国内外的技术布局是有明显差别的，由于美国MagiQ科技公司、日本电气株式会社的专利布局时间较早，也就更早地步入实用化探索阶段。美国MagiQ科技公司除了在密钥分配（H04L9/08）和保密或安全通信装置（H04L9/00）有大量专利外，在同步的或最初建立特殊方式的发送和接收密码设备（H04L9/12）、保密通信（H04K1/00）也有布局，包括保密线路和辐射传输系统。日本电气布局几乎涵盖了所有前10项技术，且其布局重点在同步的或最初建立特殊方式的发送和接收密码设备（H04L9/12），和美国布局相类似，而在这一技术上，中国几乎没有涉及。中国研发主体布局比较单一，重点集中在密钥分配（H04L9/08），少量布局在以协议为特征的通讯控制装备、设备、电路和系统（H04L29/06）、量子通信传输系统（H04B10/70）、用于检验系统用户的身份或凭据的保密或安全通信装置（H04L9/32）。中国电子科技集团电子科技研究院在数字调控发射机（H04B10/556）技术方面做了较多研究。

图5 核心专利申请人对应的IPC分类Fig.5 IPC Classification Corresponding to Core Patent Applicants

可以看出，与中国研发主体仅布局核心技术不同的是，美国和日本的科技公司从量子基本理论方法，到技术方案、再到技术性能都有所布局，围绕产品线全面布局，这一点是值得我国科研机构和企业学习和借鉴的地方。

针对排名前20的专利申请人，运用DDA进行合作网络分析，绘制图6。可以看出，我国形成了以科大国盾量子技术股份有限公司为核心的合作网络。该合作网络包含上海交通大学、北京邮电大学和中国科学技术大学等高等院校，也包括国家电网和量子领域的高新科技公司。TRIFONOV ALEXEI是美国的MagiQ科技公司的主要发明人。中国电子科学研究院、阿里巴巴、日本电气株式会社，英国电网等公司尚未有技术上的合作。

图6 核心专利申请人合作网络Fig.6 Core Patent Applicant Cooperation Network

3 全球量子密码领域技术热点分析

3D专利地图是技术主题可视化表现形式，利用IncoPat分析功能获取全球量子密码领域专利聚类地图，如图7所示。全球量子密码研究领域的研究热点集中在量子加密和通信技术，主要包括量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子纠缠（Quantum Teleportation，QT）、量子安全直接 通 信 （Quantum Safe Direct Communication，QSDC）和量子秘密共享（Quantum Secret Sharing，QSS）、单光子源（Single Photon Source，SPS）和量子密码加密（Quantum key Encryption，QKE）、量子认证 （Quantum Authentication，QA）、量 子 签 名（Quantum Signature，QS）等。

图7 全球量子密码领域专利地图Fig.7 Global Patent Map in the Field of Quantum Cryptography

可以看出，量子密钥分发和量子纠缠是全球企业和科研机构的主要布局热点，是量子密码技术的主流方向。其中量子密钥分发技术方面的专利申请量最多。国内外研发方向稍有区别，我国企业和科研机构主要集中在量子纠缠、量子密钥分发和量子密码加密；国外企业和科研机构主要集中在量子密钥分发、光子检测和量子密码共享。

在量子密码领域，QKD是最早被提出、理论最完善、发展最成熟的研究领域，是量子密码领域唯一一个进入实用化阶段的技术方向。QKD以量子态为信息载体，通过量子信道使通信双方共享密钥，实现密码学与量子力学的完美结合，以一次一密的加密方式完成点对点的经典通信。从专利申请来看，该技术全球专利申请超过1500个专利族，主要申请人为国内外高校和科研机构、设备研发与运维的量子通信公司以及高校孵化出来的创业公司。量子密钥分发有两种方式，包括连续变量量子密钥分发（CV-QKD）和离散变量量子密钥分发（DV-QKD）。从专利布局来看，目前国际上已经对CV-QKD方案，尤其是高斯调制相干态CV-QKD方案的安全性得到了充分证明，所以该技术领域相关专利申请较多。主要技术布局在CV-QKD的高效协商算法、本地本振方案等。DV-QKD方向上的专利申请总量较少，主要技术布局在编码、收发器等方面。

QT是指两个量子态具有相关性或处于关联状态，量子纠缠态分发是指制备纠缠粒子对时，将不同的粒子对发往不同的地方，实现量子态的空间转移，利用量子技术取代现有光缆技术，无形的在空间中传输信息。目前，有关QT的专利申请量近百件。从专利申请所涉及的技术来看，主要围绕在编码方法、量子态交换方案、隐形传输协议等方面进行布局。整体来看，QT是量子密码技术基础研究热点之一，但该技术仍处于理论研究与实验验证的过渡阶段，未来能否实用化还不明确。

相比之下，QSDC、QSS方面的专利申请量较少，仅有几十件。QSDC是较为新兴的概念，是通信双方以量子态为载体，利用量子力学原理和量子特征，通过量子信道传输，在通信双方之间安全无泄漏地直接传输有效信息。QSS主要集中在共享量子信息的门限方案、秘密共享方法过程的优化方案等。目前这两个方向上的授权专利数量很少，专利申请人主要是高校。

此外，量子密码领域还涉及的技术分支有QKE、SPS、QA、QS等［18］。这些专利申请量较少，目前尚未有明确的试验系统和实用化前景。

总体来看，量子密钥分发是目前量子密码领域专利申请量最多的分支，在实用化程度上较为领先，有明确的实际应用前景。围绕量子密钥分发技术的器件、协议和编码方案是专利布局热点方向。

4 结语

本文从时间、地域、申请人、机构和主题等不同视角分析了全球量子密码技术专利的发展态势和研发热点。从专利申请时间和地域来看，全球量子密码研究正处于蓬勃发展阶段。中国是当今世界量子密码研究的主要阵地。中国科大国盾、安徽问天，日本电气株式会社、美国MagiQ科技公司都是全球在该领域的主要申请人。密钥分配（H04L9/08）以及光子量子通信（H04B10/70）技术是主要技术方向。全球量子密码与技术研发热点集中在量子加密和量子通信技术，主要包括 QKD、QT、QSDC、QSS、SPS和 QKE等方面。

密码是国家重要的战略资源，是国之重器，是网络空间安全的核心技术，直接关系国家的政治安全、国防安全、经济安全和信息安全。量子密码能够有效提升信息传输的安全性，是未来应对网络空间安全威胁的重要技术手段。经过近三十年的发展，量子密码专利申请量快速上升，中国成为全球量子密码技术研究主要阵地。根据目前发展现状，结合上述分析，从宏观层面（国家）和中观层面（研发主体）为我国量子密码技术的知识产权保护提供如下建议：

1）从宏观层面上，应在政策和资源上加大扶持力度和投入；应积极参与量子密码技术国际标准化工作，贡献中国方案。

从专利申请量和申请趋势来看，我国高校的量子密码技术专利申请量较多，具有较强的理论基础。可以说我国量子密码专利申请起步于高校、发展于高校。针对这种情形，国家应设立量子密码专项，尤其是对申请量具有明显上升趋势的量子密钥分发、光子量子通信技术加大扶持力度，吸引更多的科研力量；在现有的网络空间安全一级学科中，建立稳定的量子密码研究方向；建议教育部设立量子密码一级学科，形成完整的人才培养体系，为量子密码培养高水平的人才。

此外，应积极参与量子密码技术国际标准化工作，推动相关术语标准、试验标准、规范标准的研制，贡献中国方案。当下，在国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）、国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、电气与电子工程师协会（IEEE）、国际互联网工程任务组（IETF）等国际标准组织的领导下，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［19］。我国应积极参与，争取优势地位。

2）从中观层面上，研发主体要加强量子密码技术创新和知识产权保护意识；要强化核心技术的专利质量，切实有效推进量子密码技术的产业化和市场化。

高校在量子密码方面的研究不仅带动我国强劲的研究势头，也形成了一批从中分离出来的初创公司，成为量子密码产业的“中坚力量”。目前国内最大的量子科技公司安徽问天量子科技有限公司就起源于中国科技大学。面向产业化，资本市场更青睐于掌握核心技术自主知识产权的企业。因此，初创公司需要在国际竞争背景下进行谋划和布局，进一步加强知识产权保护和国际竞争风险防御意识，适度在世界范围超前布局专利，提前建立起技术与产品的“专利护城河”。

此外，我国研发主体在保持密钥分配技术领先地位的同时，也要积极探索其它技术领域，广泛布局，抢占技术空白点。除了理论研究和实验，要强化和把关重大项目顶层设计中关键核心技术的专利质量，切实有效地推进量子密码技术的产业化、市场化，为世界贡献中国智慧。

致谢感谢北京印刷学院密码学专家李子臣教授在技术主题划分和论文撰写中给予的指导和帮助！