歐洲專利局報告：崛起中的量子計算技術

2023年元月23日，歐洲專利局（EPO）發(fā)布了一份關于量子計算的專利洞察報告。根據(jù)公開的專利信息，該報告概述了整個量子計算和以下子部門:量子計算的物理實現(xiàn)、量子錯誤糾正和緩解，以及與量子計算和人工智能/機器學習相關的技術。這項研究是由歐洲專利局(EPO)和歐洲空間政策研究所(ESPI)與歐洲航天局(ESA)合作，審查了量子技術空間應用領域的全球?qū)＠暾堏厔?2001-2020年)。

在過去十年左右的時間里，許多大型技術公司已經(jīng)投入巨資開發(fā)量子計算技術。這是一項極具優(yōu)勢和競爭力的技術，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比有許多優(yōu)勢，例如能夠分析大量數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)根本無法在合理的時間內(nèi)完成這些工作。

該報告的一些主要結(jié)論是:

1)在過去十年中，量子計算領域的發(fā)明數(shù)量成倍增長。

2)總體而言，量子計算發(fā)明的增長率高于所有技術領域。

3)高于平均水平的國際專利申請份額表明，人們對相關技術和跨國商業(yè)化戰(zhàn)略抱有很高的經(jīng)濟預期。

在量子計算領域，大約十分之一的歐洲專利申請有幾個專利申請人，這表明他們之間的積極合作。專利申請人來自各大洲，明確關注同一地區(qū)或洲。在子行業(yè)“量子計算的物理實現(xiàn)”、“量子糾錯/緩解”和“量子計算和人工智能/機器學習”中，專利趨勢活躍，發(fā)明數(shù)量也成倍增長。

雖然所有技術領域的發(fā)明數(shù)量都在不斷增加，但量子計算領域的增幅遠遠高于平均水平。沒有跡象表明量子計算領域的這種動態(tài)發(fā)展將在未來幾年放緩，隨著我們越來越深入地進入更復雜的數(shù)字領域，鼓勵和培養(yǎng)該領域的創(chuàng)新和合作將比以往任何時候都更加重要，這樣才能確保整個社會都能受益。

量子計算:每個最早出版年份的國際專利家族數(shù)量

每個最早出版年份的國際專利家族數(shù)量，作為具有高經(jīng)濟預期的發(fā)明的代表。

1.量子技術的空間應用

量子技術的空間應用是一個快速增長的領域，專利申請在過去五年中增長了400%以上。量子密鑰分發(fā)、冷原子時鐘和冷原子干涉儀方面的大多數(shù)專利申請不是來自同一個關鍵參與者，指出高度專業(yè)化和有限的協(xié)同作用。

然而，根據(jù)專利申請統(tǒng)計，歐洲還不是太空相關量子技術創(chuàng)新的先行者。隨著最近歐洲量子通信基礎設施(EuroQCI)等重大方案的推出，這種情況在未來可能會有所改變，該方案旨在利用量子密鑰分發(fā)開發(fā)一個歐洲量子通信基礎設施，并應包括一個重要的空間要素。

量子和空間領域都已成為包括歐洲國家和歐盟在內(nèi)的世界主要大國的重要戰(zhàn)略技術領域。在空間環(huán)境中使用量子技術是該技術的一種非常具體的用途，但這種用途正在得到越來越多的探索，正如最近幾次攜帶量子密碼有效載荷的衛(wèi)星演示任務所證明的那樣。

量子技術在空間的主要用途是保密通信、時間和頻率傳遞以及地球感知和觀測。在專利申請分析中，該研究考慮了支持這些主要應用的三個關鍵技術:（1）量子密鑰分發(fā)；（2）冷原子鐘；（3）冷原子干涉儀。

對全球?qū)＠暾埥y(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析強調(diào)了以下主要趨勢:

（1）量子技術的空間應用是一個快速增長的領域，專利申請在過去五年中增長了400%以上。

（2）這種增長主要是由量子密鑰分發(fā)的創(chuàng)新推動的，量子密鑰分發(fā)占了分析數(shù)據(jù)集的大部分(78%)。

（3）量子技術的空間應用仍然是一個小領域，僅占整個量子技術領域的一小部分。

（4）大多數(shù)空間相關的量子技術創(chuàng)新源自歐洲以外，美國和中國在全球?qū)＠暾堉蓄I先。

（5）量子密鑰分發(fā)、冷原子時鐘和冷原子干涉儀方面的大多數(shù)專利申請不是來自同一個關鍵參與者，指向高度專業(yè)化和有限的協(xié)同作用。

包括空間部門在內(nèi)的全球?qū)α孔蛹夹g及其應用日益增長的政治興趣正在推動該領域的創(chuàng)新，并為新發(fā)明創(chuàng)造切實的機會。在歐洲，量子技術和空間應用，例如基于空間的量子密鑰分配，已經(jīng)被認為是對社會和整個經(jīng)濟具有根本性影響的顛覆性技術領域。

空間相關量子技術專利系列的趨勢

2. 量子技術研究現(xiàn)狀

量子物理領域的研究已經(jīng)持續(xù)了幾十年，促進了支撐現(xiàn)代社會的一些核心技術的發(fā)展，如激光器或晶體管。近年來，商業(yè)量子物理中更不尋常的性質(zhì)，如量子疊加和量子糾纏，越來越成為人們關注的焦點。隨著量子技術利用量子物理定律，他們能夠解決一些當今數(shù)字時代面臨的最大挑戰(zhàn)，如安全通信、計算能力和傳感器精度。量子技術可以分為四個不同的區(qū)域:

（1）量子通信使用光子的量子狀態(tài)和適當?shù)膮f(xié)議來安全地傳輸數(shù)據(jù)。

（2）量子模擬使用受控的量子系統(tǒng)來復制和測試不易接近的量子系統(tǒng)的模型。

（3）量子計算利用量子效應來增加計算能力。

（4）量子計量和感知利用相干量子系統(tǒng)的特性及其與環(huán)境的相互作用。

2010年代，各國政府在世界各地推出了幾項與量子技術相關的重大舉措和計劃，為基礎和高級研究提供了數(shù)十億歐元，包括空間應用。所有這些舉措都旨在加速從學術研究向?qū)嶋H應用的轉(zhuǎn)變。除了量子應用的巨大社會經(jīng)濟價值之外，各國政府還將量子計算視為一種戰(zhàn)略能力，因為它們在國防、安全通信和增強網(wǎng)絡安全方面的潛在用途。

截至2021年1月，已有17個國家出臺了某種形式的國家舉措或戰(zhàn)略來支持量子技術研發(fā)，并制定了處于不同發(fā)展階段的戰(zhàn)略，另有12個國家出臺了由政府資助或政府支持的重大舉措。

在過去十年中，私營部門也在量子相關的研發(fā)方面進行了大量投資，特別是在量子計算方面。全球科技巨頭(如谷歌、微軟、IBM、阿里巴巴、東芝)，而越來越多的量子技術初創(chuàng)企業(yè)正在吸引私人投資者。全球私人投資在2012年至2018年間大幅增長，2017年和2018年合計達到近5億美元。

3.結(jié)束語

量子技術及其具體空間應用在當今世界的重要性正在迅速增長，這一點從政府的主要計劃、該領域日益增加的私人投資和企業(yè)家精神以及專利申請統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出，本報告對此進行了深入分析。

在這一領域觀察到的巨大勢頭可能會刺激未來的創(chuàng)新，并繼續(xù)促進專利申請的上升趨勢。分析顯示，2001年至2020年期間，與空間相關的量子技術專利申請的增長率遠遠超過了所有技術的全球?qū)＠暾堅鲩L率(5倍)。

盡管與空間相關的量子技術仍然是整個領域中的一個細分市場，但一些應用，特別是量子密鑰分發(fā)技術，在未來將變得更大。這尤其得益于它們在應對安全通信和網(wǎng)絡安全等關鍵挑戰(zhàn)方面被廣泛認可的戰(zhàn)略價值。今天，為電信設計新的加密方法有一種真正的緊迫感。

歐盟已將量子部門列為其戰(zhàn)略優(yōu)先事項之一，特別提到了空間量子將發(fā)揮的作用。其中的一個關鍵組成部分將是即將到來的EuroQCI的衛(wèi)星部分。雖然量子技術在歐洲政策議程中占據(jù)重要位置，但對專利申請統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析顯示，大多數(shù)與太空相關的量子技術創(chuàng)新源自歐洲以外，其中美國和中國走在前列。

審核編輯 ：李倩