李 英，刘建明

（1.广东省科技干部学院，广东珠海 519090；
2.广东省科学技术情报研究所，广东广州 510033）

量子信息是信息科学与量子力学相结合的新兴交叉学科，以微观世界的粒子作为操控对象，借助量子叠加态和量子纠缠效应等独特物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术［1］。近年来，量子计算、量子模拟、量子通信等量子信息主要技术领域取得了重大突破［2］。其中，量子计算、量子通信和量子测量是量子信息中具备科学研究价值、产业前景巨大的三大技术［3］。欧美日等发达国家为抢抓量子信息发展机遇，出台了系列扶持政策，抢占量子信息技术战略制高点。中国对量子信息技术也是高度重视，中共中央政治局专门就量子科技研究和应用前景进行了集体学习，目前量子信息已被列入国家发展战略。

准确把握当前量子信息技术发展阶段，分析量子信息关键技术对于制定量子信息发展战略、推动量子信息技术和产业快速健康发展具有重要意义。刘小平等［4］等运用文献计量学的共词分析方法对量子信息领域发表的SCI 论文关键词进行分析挖掘，提取量子信息科学的主要研究热点。高芳等［5］基于SCI 论文和专利数据，对全球主要发达国家的量子信息技术发展态势及其出台的举措进行了详实分析，并对中国发展量子信息技术提出对策建议。张志强等［6］以SCI 论文作为数据源，基于文献计量的方法，从量子信息的主要科研单位、人才队伍结构、科学家合作网络等方面分析顶尖科研单位所在国家的量子信息综合实力。田倩飞等［7］以Web of Science 数据库论文为数据源分析量子计算的发展趋势，从论文数量、主要国家、主要科研机构和论文的机构合作网络等情况进行了翔实的分析，并利用VOSviewer软件挖掘量子计算领域的高频关键词。孙浩林等［8］通过文献计量分析德国和其他发达国家量子信息技术发展状况，重点研究了德国政府对量子信息技术的发展规划，总结德国好的经验做法，为中国发展量子信息技术提供相关对策建议。肖玲玲等［9］采用专利计量的分析方法，从专利申请情况、技术领域等方面对全球及中国量子通信技术的发展情况进行了分析。周武源等［10］基于德温特数据库和incoPat数据库对量子计算专利申请趋势、地区分布、技术领域进行了分析，并为中国发展量子计算提出了对策建议。杨秀丽等［11］基于incoPat 专利检索系统分析全球量子通信专利申请趋势和典型专利申请人，重点比较了中美日的专利申请情况，最后提出中国发展量子通信产业的对策建议。

论文是基础研究实力的重要评价指标，适用于评价处于萌芽阶段的技术。而专利作为重要的文献资源，蕴含大量的技术发明信息，对于分析当前技术发展现状及预测未来技术具有十分重要的作用［12］。在上述文献的基础上，本研究基于专利计量的相关理论方法,从宏观到微观，以点带面，多角度对量子信息技术的专利申请授权情况进行分析，尤其是从专利的技术领域和高被引角度对中国与美国和日本等发达国家进行对比分析，深入挖掘中国的短板和不足，提出发展壮大中国量子信息技术的对策建议。

2.1 数据来源

本研究的专利数据来自智慧芽全球专利数据库。本研究的主题是“量子信息技术发展趋势”，借鉴中国信息通信研究院［13］发布的《量子信息技术发展与应用研究报告（2020 年）》，将量子信息主要分成量子计算、量子通信和量子测量，因此，专利数据检索的关键词为：(量子 $PRE2 (计算 or 算法or 软件)) or (quantum $PRE2 (compution or algorithm or software)) or (量子 $PRE2 (通信 or 隐形传态 or 密钥分发)) or (quantum $PRE2 (teleportation or"key distribution")) or (量子 $PRE2 (测量 or 目标识别or 重力测量 or 磁场测量 or 定位导航 or 时间基准)) or(quantum $PRE2 (measurement or "target recognition" or"gravity measurement" or "magnetic field measurement"or "positioning navigation" or "time benchmark"))。检索范围为2000—2020 年的相关发明专利申请和授权量，检索日期为2021 年10 月8 日。去除发明专利申请公开的重复数据，共检索到12 049 条专利记录。

2.2 研究方法

主要参考文庭孝［14］研究中采用的专利计量分析方法，从宏观、中观和微观3 个层面对量子信息技术进行统计分析。其中，宏观层面主要分析量子信息技术的发展趋势、国家或地区的专利布局情况；
中观层面分析量子信息技术的技术领域分布；
微观层面分析量子信息技术的典型机构和高被引专利。

3.1 量子信息技术发展趋势分析

量子信息技术的发展大致可以分为两个阶段（见图1）：2000—2012 年是平稳发展阶段，相关专利申请授权量一直在350 件以下，这个阶段的量子信息技术处于实验室阶段，技术需求仍有待进一步发掘；
2013—2020 年是快速发展期，相关专利申请授权量稳步增长，到2017 年专利申请授权量首次突破了1 000 件。量子信息技术的快速发展，主要是由于量子信息技术有可能突破经典技术的物理极限，未来可能对传统的信息技术架构带来颠覆式的创新，因此，世界主要国家积极抢占量子信息技术制高点，出台一系列有利于量子信息技术发展的政策、投入大量研究人员和资金，构筑量子信息技术发展新优势。例如，美国发布了《量子信息科学国家战略概述》，对量子信息发展战略进行规划；
英国分别在2014 年和2019 年启动了国家量子技术计划项目规划，共投资约6.5 亿美元［13］；
德国在2018 年也部署了量子信息技术的项目，投入约7.2 亿美元［13］；
中国在2013 年启动了量子通信领域重大项目“京沪干线”，该项目连接北京、合肥、上海，为全长2 000 多km的量子通信骨干网络［15］。

图1 全球量子信息技术专利授权量趋势

近年来，量子信息三大领域创新活跃，专利授权量稳步提升，尤其是量子计算和量子通信创新活动异常活跃，但2015 年后，量子计算、量子通信与量子测量出现了明显分化（见图2），主要是由于量子计算领域实现了多点突破、成果纷呈。以美国谷歌、IBM、英特尔为首的科技巨头在量子计算领域深耕细作多年，取得了一批丰硕成果，2019 年谷歌公司的量子计算原型机“悬铃木”在求解随机线路采样问题上已经超越了超级计算机，是量子计算机的里程碑事件。

图2 全球量子信息三大领域专利授权量趋势

3.2 地域分布

通过分析专利的地域分布可以一窥世界各国量子信息技术的研发能力。如图3 所示，全球量子信息技术主要集中在中国、美国、日本、加拿大、韩国等国家，其中中国和美国的相关专利申请和授权量在全球范围内遥遥领先，且中国从2012 年起相关专利申请量反超美国，成为量子信息技术专利申请的第一大国。这主要得益于中国高度重视量子信息技术的发展，产出了一批具有国际影响力的量子科技成果，如量子卫星“墨子号”作为重大科技成果写入了党的十九大报告。

图3 世界主要国家量子信息技术专利授权量趋势

从分技术领域来看，从2012 年开始，中美日三国的量子计算领域的专利授权量增幅明显（见图4），说明这3 个国家开始重视量子计算，且美国在该领域的专利数量优势明显，中国则尾随其后，在近年来发力直追美国。

图4 中美日量子计算领域专利授权量趋势

如图5 所示，美国和日本在量子通信领域的专利比较多，起步早于中国，而在2012 年以后中国的量子通信技术相关专利数量稳步提升，快速超越美国和日本，后发优势明显，反观美国和日本的相关专利申请数量一直比较平稳、未出现较大的增幅。究其原因，主要是以中国科技技术大学、中国科学院为代表的科研院校取得了广域量子通信技术的系统性关键突破，使得中国在量子通信上跻身世界领先行列，且相关创新应用不断涌现，量子通信产业初具雏形。

图5 中美日量子通信领域专利授权量趋势

相比之下，量子测量领域的专利申请和授权量均偏少，但近年来还是呈现逐年增长的趋势，中美两国增长幅度比日本稍大（见图6）。

图6 中美日量子测量领域专利授权量趋势

国际专利分类号（IPC）是国际通用的专利技术分类体系，通过对IPC 大组进行统计分析，挖掘量子信息的热点技术。量子信息技术发明专利申请和授权量排在前10 位的IPC 大组类中（见表1），数量最多的H04L9 和排名第三的H04B10 是量子信息技术在数字信息传输的保密或安全通信相关的专利，即量子通信相关专利。量子通信可以有效防止信息被窃听，主要应用技术包括量子隐形传态和量子秘钥分发等技术。中国在量子通信领域的发明专利申请量和授权量全球遥遥领先，并取得了一系列的成果，如发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，建成了世界首条量子保密通信干线“京沪干线”等，在量子通信领域处于绝对的领跑地位。未来中国可以继续进一步发扬量子通信领域的优势，集聚全球量子通信资源和高端人才，打造世界级量子通信技术和产业高地。

表1 全球及中美日量子信息十大热点技术发明专利申请和授权量 单位：件

排名第二的G06N10 是量子计算机相关的专利，全球共有1 922 件，其中美国就占了近六成，几乎是中国的4 倍，可谓“一枝独秀”。量子计算机是量子计算最重要的研究方向之一，其颠覆了冯诺依曼结构的传统计算机，其强大的计算能力已经超过现在的超级计算机，未来极有可能是新一代信息技术的关键技术。

目前美国围绕量子计算技术领域进行了周密的专利布局，可以推断美国未来极有可能会主导全球量子计算技术的发展。日本的专利布局主要集中在量子通信和量子保密技术，这两个方面的专利布局甚至比美国还多，未来可能与中国的量子通信形成竞争；
同时日本也围绕量子计算技术进行了一些专利布局，专利数量多于中国。中国的优势技术主要集中在量子通信，应该进一步发挥自身技术优势，主导量子通信国际标准制定，在量子密钥分发和量子保密通信等领域培育一批量子通信世界级领军企业；
在量子计算机等前沿量子计算领域则要奋起直追、补齐短板，加大研发投入。

5.1 典型机构专利申请情况

量子信息专利数排名全球前10 位的申请人有一半是美国企业（见表2），前三强均为美国的科技巨头企业，也是信息技术的国际龙头企业，美国在量子计算机、超导量子比特、量子计算云服务等方面进行了全方位专利布局，积极抢占量子计算科技发展制高点。其中，IBM 公司在量子处理器硬件研究方面取得了一些突破，未来极有可能在量子计算机硬件领域独占鳌头；
谷歌公司作为全球最大的搜索引擎服务提供商，在量子软件（如量子机器学习）上取得了较大进展。上榜的日本企业——东芝公司和日本电气株式会社也是国际知名科技巨头，其专利布局主要集中在量子通信领域，且东芝公司的专利数略多于中国的科大国盾量子技术股份有限公司（以下简称“国盾量子”），未来可能会在该领域与中国形成竞争；
加拿大的D-Wave 系统公司是从事量子计算机研发的高科技企业，也是全球第一家实现商业化的量子计算公司，通过采用128 量子比特，其运行量子退火算法的速度已超过了超级计算机。中国有两家企业进入前十强，在上榜企业数量上与日本并列第2 名。其中，国盾量子是从中国科技大学孵化出来的科技型企业，现已成长为国内量子通信行业的龙头企业；
如般量子科技有限公司是从事量子计算研发和应用的高科技企业。这两家企业均还处于快速成长阶段，未来有可能成为量子通信和量子计算的独角兽企业，但是在资金和人才方面较国外的企业巨头仍显不足。因此，中国政府需要在量子信息科技领域设立重大科技专项予以支持，引导科技金融公司进行风险投资，加强相关企业与中国科学技术大学等量子信息科研力量雄厚的高校合作。

表2 全球排名前10 位的量子信息技术专利申请人及发明申请和授权量

5.2 高被引专利分布

参考邱均平等［16］的研究，将从申请公开后累计被其他专利引用次数超过60 次的被引专利定义为高被引专利。高被引专利在行业内创新性强、具有启发价值。通过智慧芽专利数据库共检索到29 件量子信息技术高被引专利（见表3），其中：美国有14 件、位居第一，被引用次数高达1 125 次，专利平均被引用次数达到80.4 次；
加拿大有12 件，均来自D-Wave 公司，位居第2 位，被引用次数达到1 103 次；
日本有两件，分别来自东芝公司和高能加速器研究机构。绝大部分的高被引专利均在美国申请保护，可以看出美国还是全球量子信息技术的绝对霸主。而中国尚未拥有高被引专利，说明中国的基础性和奠基性量子信息专利还远远不够，未来需要补齐短板，鼓励高校、科研院所和量子信息小巨人企业加大研发投入，打通从基础研究、应用研究到成果产业化的研发链条，基于国内现有的量子信息重大科技创新平台引才聚才，引导科技金融公司对量子信息独角兽企业加大金融扶持力度；
此外，组建企业创新联合体，对于量子信息的高价值专利给予一定奖励，鼓励中国企业在全球范围进行专利布局，抢占量子信息国际市场。

表3 全球量子信息技术高被引专利情况

表3（续）

（1）中国在量子信息领域的发明专利申请和授权总量已经超越美国，并且在2012 年以后每年的专利申请量均超过美国，已成为量子信息全球专利申请量最多的国家。（2）量子信息技术正处于发展上升周期，量子保密通信、量子计算机是研究热点。（3）美国是量子计算领域强国，中国在量子通信技术领域稍占优势。（4）中国的PCT 专利申请量不及美国，且专利申请典型机构不多、高被引专利数偏少。

借鉴世界主要国家发展量子信息的经验，结合中国的实际情况，提出以下几点建议：

第一，加强对量子信息技术动态跟踪，在量子信息技术顶层设计上下好“先手棋”。制定整体发展规划，明确量子信息技术的重点发展方向；
研判量子信息各技术领域发展趋势，制定各领域发展规划、技术路线图和时间表。围绕量子计算和量子通信在北京、合肥布局一批量子科技重大基础平台，抢占量子信息技术制高点，把北京、合肥打造成全球量子信息技术和产业高地；
重点发展量子通信技术、推进量子通信产业发展，积极探索量子保密通信技术在银行、电信、公安、互联网等领域的深度融合应用。持续在量子计算上发力、补齐短板，以量子计算机的研发、推广和应用为核心，在量子计算机的芯片研发、操作系统和重要的量子软件方面进行前瞻性布局。

第二，持续加强量子信息基础研究，在新型举国体制下开展关键核心技术攻关，提高自主创新能力。围绕量子计算机、广域量子通信等前沿领域，以“十年磨一剑”的定力，甘坐冷板凳、敢闯“无人区”的创新精神深入开展基础研究。优化布局国家实验室、国家重点实验室等重大科技创新基础平台，依托高水平研究型大学、科研院所和科技领军企业等战略科技力量聚焦量子信息技术的前沿领域，对重点难点问题开展基础研究，打造引领技术发展的原始创新策源地。建立基础研究的稳定支持机制，设立量子信息专项基金，对前沿项目和具有潜力的项目给予重点支持，适当放宽经费使用范围和使用年限。优化量子信息基础研究科研考核评价体系，设定长周期、少考核的考评模式，改善“快出论文、快出成果”的浮躁科研氛围。

第三，围绕量子信息领域着力培养一批本土高端人才。在部分高校开展量子信息相关学科建设，打造多层次、不同体系的人才培养模式，力争培养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础设施平台吸引世界级科学家，产出一批具有世界影响力的研究成果。进一步完善吸引量子信息外国人才制度，全方位引入量子通信、量子计算等领域的杰出科学家和工程师，对高端人才在入境签证、子女落户入学、医疗保障、税收优惠等方面提供便利措施。大力弘扬科学家精神，加强学风作风建设，重视培育量子信息青年科技人才，为科研人员提供潜心科研的政策保障和舆论环境。

第四，加快营造量子信息技术发展的创新环境。促进高校、科研院所和企业的协同创新，发挥量子信息领域龙头企业带动示范作用，整合上下游资源，积极构建量子信息技术生态。加快量子信息产业标准化建设，积极参与量子计算、量子通信和量子测量等国际标准构建。加速量子信息产业化进程，构建以量子信息龙头企业为主体、市场应用为导向、大院大所和高校深度融合的技术创新体系，围绕量子计算、量子通信技术领域孵化和培育一批中小型企业，打造一批量子信息产业集群。

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