楊秀麗 趙今明

(安徽省科學(xué)技術(shù)情報研究所,安徽合肥 230011)

作為一種抗干擾能力強、保密性好、傳輸速度快、信道容量大的通信方式,量子通信能夠很好解決傳統(tǒng)通信過程中安全性問題。早在20世紀20年代,量子機制假設(shè)就被提出,但直到1993年量子通信概念才由美國IBM提出[1]。經(jīng)過20多年發(fā)展,隨著量子密鑰分配方案的構(gòu)建,基于量子密鑰分發(fā)的量子通信逐步走向成熟。隨著量子通信技術(shù)的發(fā)展,量子通信專利數(shù)量不斷增長。

專利作為世界上最大的技術(shù)信息源[2],反映了具有新穎性、創(chuàng)造性的技術(shù)和某一技術(shù)所處的法律狀態(tài)。而專利情報具有重要的技術(shù)經(jīng)濟價值[3],通過對某一領(lǐng)域?qū)＠顒舆M行研究可以分析該領(lǐng)域的專利發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,并根據(jù)已有的趨勢可以預(yù)判未來技術(shù)發(fā)展方向[3]。本文旨在通過分析全球以及中美日等國量子通信專利現(xiàn)狀,比較我國與其他國家之間的差異,為我國量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一些參考。

1 基本概念

量子通信是指一種以呈現(xiàn)為原子、中子、質(zhì)子等粒子的量子態(tài)作為信息傳輸單元,通過量子信道進行有效傳輸?shù)姆绞健＠碚摶A(chǔ)主要是量子糾纏和量子相干。目前關(guān)注的熱點是實現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),主要包括量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信、量子信道、量子編碼和量子通信網(wǎng)絡(luò)。

國外量子通信較為知名的企業(yè)有BNN(雷神子公司)、Magiq、IDQ。我國較為知名的企業(yè)有科大國盾、安徽問天量子科技、神州信息等。量子通信產(chǎn)業(yè)鏈如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

以“量子通信”“量子隱形傳態(tài)”“量子編碼”“量子密鑰分發(fā)”“量子安全直接通信”“量子信道”“量子通信”為關(guān)鍵詞,于2017年5月22日在Incopat專利檢索數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行檢索,初步檢索到2720條專利。

2.2 數(shù)據(jù)驗證

根據(jù)公式r=num(P∩S)/num(P)(P=查全樣本專利文獻集合,S=待評估查全專利文獻集合)原理,進行查全測試；以p=num(S')/num(S)(S=待評估專利文獻集合中的抽樣樣本,S'=S中與分析主題相關(guān)的專利文獻)進行查準測試。經(jīng)過3次查全檢測,2次查準檢測,最終結(jié)果是數(shù)據(jù)查全率超過85%,查準率超過90%,獲得了2571條專利數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

對申請人進行標引后,利用Excel并結(jié)合Incopat自身的統(tǒng)計功能,刪除重復(fù)項和冗余申請?zhí)柡?最終獲得1808項全球量子通信專利申請。

3 結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)果

(1)全球量子通信專利申請國家布局分析

全球量子通信專利申請進入專利數(shù)量超過2%以上的國家將會單獨列出,低于2%的則列入其他范疇。由于通過PCT程序申請的專利最終還需分別進入目標國家,因此,全球量子通信專利申請的數(shù)據(jù)包括了通過PCT程序的專利申請。圖2是全球量子通信專利申請國家的布局圖。申請進入我國的量子通信專利最多,總數(shù)為588件,占比達到33%；申請進入美國和日本的專利分別為503件和271件,位于第二和第三位,占比分別為28%和15%；申請進入其他國家的專利占比均未超過10%。以狹義亞太地區(qū)為范圍,亞太地區(qū)全球量子通信申請進入數(shù)量最多、國家分布最廣,說明該地區(qū)量子通信競爭較為激烈。

(2)全球和我國量子通信專利申請情況分析

1993—2016年,全球量子通信領(lǐng)域?qū)＠笾路譃?個階段,分別為緩慢發(fā)展階段(1993—2000年)、迅速發(fā)展階段(2001—2006年)、震蕩下行階段(2007—2011年)、快速提升階段(2012—至今),如圖3所示。因為專利數(shù)據(jù)存在一定的延遲,從整體趨勢上看,2016年專利申請數(shù)量有所下降,但仍然比2011年的數(shù)量多出近1倍。

圖4比較了我國和美國量子通信專利申請數(shù)量變化情況。我國的量子通信專利申請啟動晚于美國5年,直到2000年由高山作為個人申請人向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請了一項“量子超光速通信”才揭開了我國量子通信專利申請的帷幕。但我國量子通信專利申請相對于美國發(fā)展得更快,后勁更足。從總體上看,我國申請的量子通信專利比美國多100余件。1993—2016年,我國共申請了555件涉及量子通信的專利,而美國僅有415件。在2010年前,美國專利申請趨勢與全球量子通信專利申請趨勢一致,呈現(xiàn)新增長后下降的趨勢,2010年后美國的量子通信專利申請數(shù)量并沒有顯著上升,而我國量子通信專利申請數(shù)量迅速超過美國。

圖1 量子通信產(chǎn)業(yè)鏈

圖2 全球量子通信專利申請國家布局圖

圖3 全球量子通信專利申請數(shù)量變化情況

圖4 中國和美國量子通信專利申請數(shù)量變化情況

(3)全球和我國量子通信專利技術(shù)生命周期分析

以技術(shù)生命周期圖法[4],利用專利申請量與專利申請人隨時間變化趨勢判斷目前全球量子通信技術(shù)發(fā)展狀況,如圖5(a)所示。經(jīng)過袁輝等方法[5]修正后,獲得如圖5(b)所示的全球量子通信技術(shù)生命周期圖。圖5(e)為標準專利技術(shù)生命周期圖。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),全球量子通信專利技術(shù)基本經(jīng)歷了一個完整的技術(shù)生命周期,即萌芽期、成長期、成熟期、衰退期,目前正處于復(fù)蘇期。單從我國領(lǐng)域量子通信專利情況看,我國量子通信技術(shù)生命周期正處于成長期,圖5(c)和5(d)分別為修正前我國量子通信技術(shù)生命周期圖和修正后我國量子通信技術(shù)生命周期圖。

(4)全球和我國量子通信技術(shù)領(lǐng)域分析

根據(jù)國際專利分類(IPC分類)統(tǒng)計結(jié)果看,如圖6所示,全球量子通信領(lǐng)域IPC主要集中在數(shù)字信息傳輸(H04L,1083件)、電通信傳輸技術(shù)(H04B,221件)兩個技術(shù)領(lǐng)域,涵蓋這2個技術(shù)領(lǐng)域的專利申請數(shù)量占比超過了70%。這說明目前量子通信研究熱點相對集中,聚焦于信息傳輸領(lǐng)域(表1),而這一領(lǐng)域是量子通信的核心功能之一,競爭異常激烈。但涉及應(yīng)用領(lǐng)域,如元器件、核心設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面,從IPC分類分析上看,數(shù)量并不多,這也為研究者將來開展相應(yīng)研究和專利布局提供了一個方向。

圖7繪制了全球量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾堖M入專利數(shù)量最多的5個國家在全球前十的IPC技術(shù)領(lǐng)域的分布。與全球的專利申請分布一樣,各國申請數(shù)量最多的專利均屬于H04L和H04B大類；從申請數(shù)量排名第三的IPC大類開始,各國申請數(shù)量存在較大差異,與全球趨勢并不完全一致。相較于其他國家,在申請進入美國的專利分布較為均勻,覆蓋了全球申請量前十的IPC技術(shù)。在申請進入我國的專利中沒有H01L大類分布,G06N大類專利分布也較少,這2大類技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)申請人可以重點考慮布局。

(5)全球和我國量子通信申請人分析

圖5 全球和中國量子通信技術(shù)生命周期圖

圖6 全球量子通信領(lǐng)域主要IPC大類分布

表1 全球量子通信領(lǐng)域IPC大類注釋（前10位）

根據(jù)全球量子通信專利申請數(shù)量,分析專利申請數(shù)量排名前十的申請人,如圖8所示。從圖8中可以看到,申請量排名前十的申請人,均為機構(gòu)(企業(yè)法人)申請人,分別為美國的MagiQ(Technologies.Inc,201件)、日本的東芝(Toshiba Corporation,62件)、中國的科大國盾(原“安徽量子通信技術(shù)有限公司”,67件)、日本的NEC(日本電氣股份有限公司,60件)、中國的安徽問天(58件)、日本的三菱(Mitsubishi Group,55件)、美國的惠普(Hewlett-Packard Development Company,47件)、英國的QinetiQ(英國國防科技公司,44件)、中國的浙江神州(39件)、中國的阿里巴巴(38件)。其中,2/5的申請人是中國國籍企業(yè),專利數(shù)量占比達27%。

圖7 全球量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾堉饕M入國的IPC大類分布

圖8 全球量子通信領(lǐng)域主要專利申請人排名

圖9繪制了全球量子通信領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔疃嗟氖笊暾埲嗽谌蚯笆甀PC技術(shù)領(lǐng)域的分布。各申請人在H04L大類中申請數(shù)量最多,在H04B大類中也均有布局。但在其他技術(shù)領(lǐng)域,存在較大差別。盡管申請進入美國的專利分布均勻,但其本國申請大戶MagiQ公司、惠普專利布局并不均勻,這2家公司在H04J、G01J、H01L均未申請專利,但二者涉及的技術(shù)領(lǐng)域均在4項以上。日本專利申請大戶之間技術(shù)互補性更強,尤其是東芝和三菱二者專利之和覆蓋了前十中的全部IPC大類。相對而言,中國申請人專利集中度更高,各公司專利布局均未超過4項。其中,科大國盾在G02B有所布局,這一領(lǐng)域僅美國的MagiQ和惠普有所布局；安徽天問在H04J領(lǐng)域有所布局,這一領(lǐng)域僅有日本的三菱有所布局；阿里巴巴在G06N有所布局,這一領(lǐng)域僅有美國的惠普和日本的東京有所布局。由此,各公司的優(yōu)勢技術(shù)領(lǐng)域一目了然。

3.2 分析與討論

(1)政府是量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵推動因素

整個量子通信專利申請數(shù)量變化與各國出臺的戰(zhàn)略政策緊密相關(guān)。如表2所示,在發(fā)達國家中,美國是最早支持量子通信研究的國家,但直到20世紀末歐盟、日本才開始在全國性范圍內(nèi)支持量子通信研究。也正是在此后,量子通信專利申請大幅提升。

圖9 全球主要專利申請人IPC大類分布

表2 全球主要發(fā)達國家和地區(qū)量子通信戰(zhàn)略

1998-2006年是量子通信專利技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時期。20世紀末,歐洲量子密鑰分發(fā)距離延伸以及美國國家實驗室Los Alamos自由空間的量子密鑰分發(fā)實現(xiàn)[7],美國、歐盟、日本等國,相繼以戰(zhàn)略、計劃的形式,撥付大量款項用于本國、本地區(qū)量子通信發(fā)展。比如,歐盟在第五個《研究與技術(shù)開發(fā)框架》(1998—2002年)中明確提出[12],將量子技術(shù)作為發(fā)展信息社會的重點通用技術(shù)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。各國資金支持直接促成了21世紀初量子通信技術(shù)發(fā)展的快速成長期,也催生了大量的量子通信專利。2006—2010年,全球量子通信專利申請數(shù)量出現(xiàn)一定程度的減少。其原因可能有三：一是量子通信技術(shù)已經(jīng)具有一定成熟度,而新的技術(shù)并未突破,技術(shù)進入瓶頸期；二是2003年美國國防部高級研究計劃局(DARPA)組織具有很強軍方色彩的美國BBN公司、波士頓大學(xué)、哈佛大學(xué)著手建立世界上第一個城域量子通信網(wǎng)絡(luò)即量子保密通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的五年試驗計劃[7],量子通信在國防安全領(lǐng)域應(yīng)用進一步深化,技術(shù)保密可能被提上新的高度,國外申請人在量子通信領(lǐng)域的保護可能不再通過專利進行保護,轉(zhuǎn)而以技術(shù)秘密等形式進行保護；三是隨著量子信息其他領(lǐng)域的開發(fā),比如量子計算機、量子傳感器的發(fā)展[13],各國資金雖然持續(xù)投入,但分配到量子通信方面的資金可能大幅縮水。如美國,早在2002年發(fā)布了“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”,專門針對量子計算領(lǐng)域提出了從8個不同技術(shù)方向上進行研究[14]。2011年之后,我國量子通信迅速崛起,以及歐洲、日本等國家對量子通信的研發(fā)投入,量子通信技術(shù)快速復(fù)蘇,申請數(shù)量重新增多。

根據(jù)荷蘭政府2016年對各國在量子信息領(lǐng)域政府投資估算[9],美國、中國、英國、德國以及歐盟在2013—2015年的年預(yù)算均在100萬歐元以上,如表3所示,資金投入與全球量子通信專利申請數(shù)量對應(yīng)布局國家分布總體一致,各國專利申請數(shù)量與本國在量子信息投入呈現(xiàn)較為明顯的關(guān)系。

(2)量子通信產(chǎn)業(yè)在我國具有巨大潛力

全球量子通信技術(shù)生命周期圖(圖5)顯示量子通信技術(shù)更新快速。我國量子通信技術(shù)生命周期正處于成長期,根據(jù)技術(shù)生命周期理論,這一階段是技術(shù)迅速成長階段,量子通信技術(shù)逐漸贏得市場認同并被部分企業(yè)采用,各類研究機構(gòu)、廠家也相繼對該領(lǐng)域進行研發(fā)。一般在此階段,規(guī)模較小的企業(yè)會繼續(xù)采用跟隨創(chuàng)新戰(zhàn)略,技術(shù)創(chuàng)新能力中等的企業(yè)采用模仿創(chuàng)新戰(zhàn)略,而優(yōu)勢企業(yè)也開始初見端倪,自主研發(fā)新市場需求,技術(shù)意愿逐漸增強。因此,現(xiàn)在正是國內(nèi)各主要量子通信企業(yè)開始分化、搶占技術(shù)和市場的絕好時期,國內(nèi)量子通信在技術(shù)和市場仍然具有大量布局空間。我國也在量子通信領(lǐng)域獲得眾多世界領(lǐng)先型成果,如建成了全球最長的大尺度光纖量子通信主干網(wǎng)“京滬干線”,全球首條商用量子通信“滬杭干線”也于2017年9月通過驗收。根據(jù)估計,到2025年我國量子通信市場規(guī)模超過1200億元,達到千億級水平[15],量子通信產(chǎn)業(yè)化將迎來爆發(fā)性增長。

(3)國內(nèi)企業(yè)競爭力稍顯不足

表3 2013—2015年主要國家量子信息預(yù)算

在全球十大專利申請人中,雖然我國企業(yè)占據(jù)4個席位,但申請量最多的美國MagiQ和日本東芝遠超排名第三的中國科大國盾,分別高出2倍和1倍。在前三名的第一梯隊中,中、美、日三國企業(yè)在量子通信研發(fā)產(chǎn)出上還存在一定差距。排名靠后的7位申請人中,我國占據(jù)3個席位,且均排名靠后。尤其從“平均被引次數(shù)”和“最高被引次數(shù)”角度看(表4),美日英企業(yè)在質(zhì)量上遠超我國企業(yè)。從表4還可以發(fā)現(xiàn),雖然數(shù)量不多,但美日英企業(yè)與研究機構(gòu)、個人專利合作程度相對于中國更高一些,比如美國的MagiQ,在201件專利中有83件專利與21位個人申請人合作申請；而在我國的4家企業(yè)中,沒有一家企業(yè)與研究機構(gòu)、個人、其他企業(yè)聯(lián)合申報專利。這與我國的法律法規(guī)有關(guān),比如《專利法》第6條規(guī)定,職務(wù)發(fā)明專利所有權(quán)歸企業(yè)所有,也與中國企業(yè)戰(zhàn)略布局、量子通信保密性等因素存在一定關(guān)系。當然,國外這種個人與企業(yè)合作申請的現(xiàn)象,也為我國技術(shù)引進和合作提供了更多的可能。

表4 量子通信專利申請人情況表

(4)人才隊伍建設(shè)還有待擴展

表5 量子通信專利發(fā)明人情況表

表5顯示的是專利申請數(shù)量排名前十的發(fā)明人及其團隊,從表5可以看到,我國量子通信專利申請主要發(fā)明人集中程度相對較高,集中于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和科大國盾,具有這2家單位背景的發(fā)明人共參與了240件專利的申請,占我國全部專利申請的42%,具有絕對的優(yōu)勢?？拼髧芷鹪从谥袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué),以潘建偉院士團隊實用化量子通信技術(shù)為基礎(chǔ),因此,科大國盾與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊存在千絲萬縷聯(lián)系,在某種程度上可以說,量子通信技術(shù)人才集中于潘建偉團隊。

4 結(jié)論與建議

全文以服務(wù)我國量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展為核心,筆者在經(jīng)過查全、查準、去噪等處理后的專利信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行分析,尤其比較了我國與其他國家相關(guān)企業(yè)和人才在專利技術(shù)方面的差異,分析我國在發(fā)展量子通信產(chǎn)業(yè)存在的不足,探討未來發(fā)展方向。在研究結(jié)論的基礎(chǔ)上,筆者認為未來發(fā)展量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)可以從以下方面進一步完善。

(1)建立量子通信技術(shù)競爭監(jiān)測和預(yù)警機制

從前述研究可以看到,世界范圍內(nèi)量子通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭仍然強勢,但由于量子通信涉及保密通信,其技術(shù)公開較為敏感。因此,加強量子通信技術(shù)競爭監(jiān)測和預(yù)警,建立定時跟蹤分析專利、文獻、企業(yè)、人才、行業(yè)等量子通信各方面動態(tài)信息的機制,對于我國時刻保持競爭優(yōu)勢,保證我國國防、民生等各方面未來安全發(fā)展具有重要作用。

(2)注重專利組合合理布局

從前述專利分析中可以看到,我國企業(yè)在量子通信領(lǐng)域?qū)＠植驾^為集中,存在較多技術(shù)領(lǐng)域空白點。合理利用專利,加強終端、元器件以及計算機系統(tǒng)模型的布局,對實現(xiàn)我國量子通信企業(yè)差異化發(fā)展,填補相關(guān)領(lǐng)域空白以及提高我國整體產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢具有重要作用。

(3)官方應(yīng)發(fā)揮好指導(dǎo)和服務(wù)作用

從目前專利申請來看,我國量子通信技術(shù)主要集中于安徽、浙江、山東等地區(qū),呈現(xiàn)三足鼎立姿態(tài),我國相關(guān)企業(yè)競爭十分激烈。但作為一種特殊產(chǎn)業(yè),量子通信對區(qū)域協(xié)作要求較高。因此,政府、相關(guān)聯(lián)盟、協(xié)會應(yīng)加強引導(dǎo),提高高校與企業(yè)、企業(yè)與政府以及企業(yè)之間的合作,提高企業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)差異性,更好地激發(fā)處于發(fā)展期的我國量子通信上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

(4)建立多元化人才隊伍

從專利發(fā)明人背景看,量子通信人才集中度較高,具有中國科技大學(xué)術(shù)背景的人才是我國量子通信技術(shù)研究的中流砥柱。誠然,量子通信具有鉆精尖的特點,擁有一支高水平的研發(fā)人才隊伍對我國搶占量子通信制高點具有重要的作用。但也不能忽視整個量子通信領(lǐng)域“近親結(jié)婚”的現(xiàn)象,核心技術(shù)高度集中對未來產(chǎn)業(yè)鏈進一步構(gòu)建和企業(yè)間差異化發(fā)展可能存在一定隱患。因此,大力培養(yǎng)具有計算機軟件、經(jīng)濟管理、法律知識產(chǎn)權(quán)背景等綜合性量子通信專業(yè)人才；重視國外各專利申請中發(fā)明人、個人申請人的信息,引進國內(nèi)空白技術(shù)領(lǐng)域人才對完善量子通信產(chǎn)業(yè)鏈,提高我國整體競爭實力具有重要作用。