技术与标准丨中国量子通信专利布局与发展现状分析
发布日期：2023-02-16
来源：光电产业网
作者：苏州市光通信知识产权运营中心
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以下文章来源于信息通信技术与政策 ，作者肖勤，程广明
广东国腾量子科技有限公司工程师，主要从事量子通信等方面的知识产权研究工作。广东国腾量子科技有限公司高级工程师，主要从事量子通信与信息安全等方面的研究工作。
论文引用格式：
肖勤, 程广明. 中国量子通信专利布局与发展现状分析*[J]. 信息通信技术与政策, 2022, 48(12): 88-96.
*基金资助：广东省重点领域研发计划（No.2018B030325002）
中国量子通信专利布局与发展现状分析*
肖勤 程广明
（广东国腾量子科技有限公司，肇庆 526238）
摘要：分析了中国量子通信领域专利的申请量、申请趋势、申请人情况以及省市分布和细分技术领域分布，展示了中国量子通信领域专利分布的全貌。通过对专利权利要求数量的对比，给出了目前专利保护范围及专利质量的情况，提出了量子通信技术研发及专利布局的建议，并从专利角度分析量子通信产业化前景。
关键词：量子通信；量子密钥分发；专利布局
0 引言
量子通信利用量子叠加态及纠缠效应，在经典通信辅助下，可以实现量子态信息传输或密钥分发，主要包括量子隐形传态、量子密钥分发、量子安全直接通信、量子秘密共享和量子密集编码等[1]。量子通信安全性由量子原理来保证，在理论协议层面具有无法被窃听的信息论安全性保证。以量子密钥分发为代表的量子保密通信成为目前应用最成熟的技术之一，其最显著的优势是具备感知窃听的能力，即非法第三方对载体信息的量子态的窃听行为将不可避免留下痕迹，从而被合法通信方发现[2]。自1984年BB84协议诞生以来，许多量子保密通信理论方案相继被提出且得到验证，并向实用化发展，特别是量子保密通信网络化建设领域取得了极大的成就，实现了长距离的稳定传输、多用户协商通信、机载量子纠缠密钥分发、天地一体化通信和洲际通信等。随着量子通信产业化推进，知识产权保护成为量子通信企业和相关高校比较关注的主题，特别是近年来国家出台了一系列鼓励量子通信产业化应用的政策，量子通信企业逐渐成为量子通信专利申请和持有的主体，高校知识产权成果转化也变得活跃。本文主要对中国国内量子通信的知识产权现状进行分析，并对知识产权布局提供了建议。
1 中国量子通信专利申请及公开状态
1.1 专利检索策略及范围
本文以中国国家知识产权局专利数据库为数据源，通过Incopat专利检索网站进行检索，结合相关文献调研，获取中国量子通信相关的专利数据。
本文的专利数据检索式内容：TIAB=（量子通信 OR QKD OR 量子网络 OR 量子保密 OR 量子密码 OR 量子密钥 OR 量子编码 OR 量子安全 OR 量子加密 OR 量子卫星 OR 量子随机数 OR 量子交换机 OR（单光子探测器 AND 量子）OR （量子态 AND 密码）OR 量子中继 OR（量子 AND 路由器）OR（量子算法 AND 通信））AND（PNC=(“CN”)）。通过数据清洗，检索出量子信息相关专利3 652 件（统计截至2022年6月10日）。
1.2 量子通信专利申请公开趋势
图1是中国量子通信领域每年专利申请数量及累计申请数量情况。
如图1所示，近20年我国量子信息技术的专利发展态势总体呈上升趋势。根据量子通信专利的发展趋势，可以看出我国量子通信专利布局的大致可以分为3个阶段。第一阶段：量子通信的起步阶段。2003—2008年，专利公开量在十几件左右，中国还未有主导量子通信产业的相关企业成立，量子通信主要停留在理论和实验阶段，主要为高校对于量子通信进行理论研究和技术研发，因此专利申请人主要集中为高校，该时期，量子通信相关专利申请没有呈系统布局。第二阶段：量子通信的产业化探索阶段。2009—2015年，中国国内陆续有不少量子通信市场化企业诞生，如2009年成立的科大国盾和问天量子，2012年成立的九州量子，2014年成立的中创为量子等，加快了量子通信的产业化发展。这一阶段量子专利的公开数量从2009的23 件增长到2015年的149 件，专利公开数量呈线性增长。这一阶段，量子通信的研发已经从理论阶段进入到产业化阶段，企业的专利申请数量超过高校的申请数量，政府也开始出台各种鼓励量子通信发展的政策，量子通信技术得到稳步发展，量子通信专利申请开始从核心元器件、量子通信设备、通信网络以及量子通信应用多方面进行布局。第三阶段：量子通信的产业化扩张阶段。自2016年至今，我国越来越重视量子通信产业发展，国内量子通信不断成立，例如2016年成立的亨通问天量子，2017年成立的国腾量子、循态量子和如般量子，2019年成立的国开启科量子，量子通信产业化主体增加至超过10 家，产业化进程得到快速发展。2016年到2018年期间，量子通信相关专利的公开数量快速增长，到2018年申请591 件，达到高位增长阶段。从2018年至今，每年专利公开量稳定在500~600 件，量子通信专利从量子通信核心器件与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进行了全产业链布局。由图2可知，排名前20的原始申请人中企业主体有15个，高校主体5个，企业主体和高校主体专利数量总和分别为1 289 件和469 件，企业主体专利申请人已成为专利申请的主要力量，意味着量子通信产业化正式进入以企业为主要推动力量的阶段。作为前沿技术领域，我国的量子通信技术策源地为高校，随着产业化探索，以高校团队为核心技术队伍的量子通信企业不断涌现，高校知识产权成果转化和校企合作进入一定热度阶段。例如，中国科学技术大学团队孵化的科大国盾和问天量子，华师师范大学团队孵化的国腾量子，上海交通大学团队孵化的循态量子。总的来说，我国量子通信发展经历了从高校研发到校企合作再到企业为主导的一个发展进程。图3展示了按照发生过转让的专利数量统计的专利权人排名情况。专利转让是专利成果转化及专利运营的方式之一[3]。由图3可知，中国量子通信领域专利转化第一单位是华南师范大学，专利转让数量为76 件，其次为国腾量子14 件、浙江工商大学12 件、中国电力科学院11 件，专利转让数量均超过10 件，国家电网公司、SK电信有限公司、华东师范大学、上海朗研光电和青岛鲲腾量子的专利转让数量在6~8 件。整体来说，高校的转让主体为3 个，高校转让专利总量为95，企业的转让主体6 个，企业转让专利总量为52，可见，当前量子通信专利技术的转化以高校为主。企业的转让主体比高校主体多，但是每个企业的专利转让数量相对高校来说较少，这或许是由于企业自身将知识产权作为企业的无形资产和技术保护的武器，只有在少数特别需要进行技术的转让来达到商业目的的活动中企业才会转让自身的专利，因此，企业总体的专利转让数量低于高校专利转让数量。从图4可以看出，我国量子通信技术专利申请量地区分布中，排名第一的北京拥有691 件，这主要得益于北京拥有的专利申请人包括北京邮电大学、中国电子科技集团、清华大学和北京中创为量子等；安徽排名第二，主要由于安徽拥有中国科学技术大学、科大国盾、问天量子等；江苏排名第三，则是因为江苏拥有如般量子、亨通问天量子、南京大学、南京中创为量子等。浙江九州量子和浙江神州量子都位于浙江省，因此浙江排名第四。作为我国经济大省的广东则排名第五，专利申请量不到北京的一半，专利申请数量为331 件，这还得益于拥有了单体申请数量排名全国第二的华南师范大学，说明广东量子通信专利申请主体数量较少，广东量子通信技术研发和产业化相较北京、安徽和江苏等省市存在一定差距。图5展示了中国量子通信专利在国际IPC分类的分布情况。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[4]。由图5可知，量子通信在国际IPC分类的分布排名前10的IPC分类是H04L、H04B、G06F、G06N、H04J、G02B、G01J、H04W、G02F和G06Q，分别为2 688 件、1 295 件、294 件、151 件、146 件、121 件、89 件、79 件和53 件。其中，各个IPC分类号对应的技术方向分别如下。从专利的公开数量可知，量子通信的专利主要集中在H04L通信和H04B传输两个方向。量子通信是基于量子光通信的信息交换，是光通信利用量子特性在密码领域的应用，因此，量子通信的主要专利布局才集中在通信和传输两个方向。其中，H04L进行小组细分可以分为：H04L9/08（密钥分配）、H04L29/06（以协议为特征的）、H04L9/32（包括用于检验系统用户的身份或凭据的装置）、H04L9/00（保密或安全通信装置）、H04L29/08（传输控制规程）、H04L9/06（使用移位寄存器或存储器用于块式码的密码装置）、H04L1/00（检测或防止收到信息中的差错的装置）和H04L7/00（使接收机与发射机同步的装置；H04B进行小组细分可以分为：H04B10/70（光子量子通信）、H04B10/556（数字调制）、H04B10/548（相位或频率调制）、H04B10/85（未经授权访问的保护）、H04B10/54（强度调制）、H04B10/524（脉冲调制）、H04B10/61（相干接收器）、H04B10/50（发射机）、H04B10/516（编码或调制元件）、H04B10/532（极化调制）、H04B10/079（使用数据信号的测量值）、H04B10/25（针对光纤传输的装置）和H04B10/69（接收机中的电子装置等。尤其是H04L9/08（密钥分配）、H04L29/06（以协议为特征的）、H04L9/00（保密或安全通信装置）、H04B10/70（光子量子通信）、H04B10/54（强度调制）、H04B10/524（脉冲调制）、H04B10/61（相干接收器）、H04B10/50（发射机）、H04B10/516（编码或调制元件）领域的专利数量较多，这正是由于量子通信技术的物理原理、通信协议、编码方式、通信器件等原理在上述领域的具体体现。由图6可知，量子通信专利涵盖了专利关键器件、设备、网络、系统协议以及应用全产业链，量子通信主要解决的是通信加密的问题，因此量子密钥分发的专利数量最多，包括量子密钥分发的设备及系统，专利数量达1 062 件。其次是量子编码器、单光子探测器，专利数量均在300 件以上。量子硬件电路（包括控制电路，修正电路、温控电路等）以及随机数发生器属于量子通信的核心元器件，这部分的专利数量都在200 件左右。量子网络方法应用专利有138 件，主要包括量子通信网络系统、量子通信的应用以及量子通信与相关领域的结合，这部分的专利数量不多，但是未来量子通信的应用以及与其他领域的结合是量子通信产业化的必经趋势，因此这一技术方向专利具有较大的增长空间。多波长激光器和光量子交换机是量子通信的核心部件与设备，但是激光器和交换机在其他领域技术已经非常成熟，这一部分的专利数量相对较少。技术功效矩阵是专利分析中常常采用的一种分析手段，本文通过对量子通信专利数据源标引技术类型和功效，然后进行统计展示出来。如图7所示，量子通信专利的解决技术问题达到的功效主要集中在提高通信的安全性，降低系统的复杂度以及提高效率方面。随着产业化需求增加，量子通信成本和设备稳定性成为量子通信厂商必须思考的话题，因此近些年的量子通信专利的功效还体现在降低成本、提高稳定性、便利性、可靠性、速度、精度、可控性等方面。专利权利要求的数量从宏观上体现专利所保护的范围，具体表现为权利要求数量越多，往往意味着保护范围越多，一定意义上专利的质量更高。由图8可知，量子通信专利中55.6%的权利要求条数集中在6~10 条，表明超过一半的专利保护范围适中，专利质量高；有8.93%的专利其权利要求条数为11~15之间，说明这部分的量子通信专利保护范围是较大的，专利质量较高；而权利要求条数在16~20、21~30、31~40以及41以上的专利数量占比分别为4.18%、1.87%、0.95%、0.85%，说明这部分的专利保护范围比较大，那么专利价值相对更高。另外，有4.85%和3.95%的专利其权利要求条数分别为1条和2条，则说明这两部分的专利保护范围是比较少的，反映专利质量可能不高；有18.7%的专利其权利要求条数在3~5 条之间，这部分专利保护范围较少，专利质量则可能较低。总体来说，量子通信属于高技术含量的前沿领域，大部分专利为高质量高价值专利。由表2可知，专利权利要求条数小于5的主要申请人类别为高校，且高校的申请总量远远大于企业申请总量。专利权利要求书条数为6~10的申请人中企业和高校主体数量及专利申请量相当，排名前8的申请人当中，4个企业主体专利申请总量为400 件，4个高校主体专利申请总量为372 件。专利权利要求条数在11~15的申请人中以企业主体为主，前8的申请人除中国电子之外均为量子通信企业。专利权利要求条数在16 条以上的申请人中，几乎全部为企业，充分说明企业更加注重专利的保护价值。“十四五”开局阶段，支持发展量子科技已经纳入全国20多个省和直辖市“十四五”规划，全国已经进入大力支持发展量子科技的黄金政策期。随着政策引导，越来越来多的量子通信关联主体将出现，量子通信产业化将步入快速发展轨道。鉴于此，本文对于未来一段时间我国量子通信技术发展以及知识产权保护提出以下几点建议。（1）对研发全过程进行专利布局。近年来量子通信的专利申请数量保持在每年500~600 件左右，随着政策的扶持、各种资金的投入以及更多量子通信企业的成立，可以预测未来的量子通信专利申请及公开数量会持续快速增长。因此，为了建立未来知识产权竞争优势，量子通信主体在关注研发活动的同时，应在从项目的立项、研发、测试，再到产品的生产及市场的推广全过程中进行专利布局，将各个阶段涉及的自主研发技术及时申请专利。（2）加大校企合作力度。目前专利的申请人还是集中在高校以及成立时间较早的量子通信企业中，专利交易活动不够活跃，仍有很多专利权掌握在高校中，因此加强校企合作力度,逐渐推进高校专利市场化、价值化，对发挥专利价值和促进产业发展具有较大促进作用。对于成立时间较短、研发实力尚弱的量子通信企业，更加应该加强校企合作，提升研发实力，结合专利及经营战略尽快抢占市场。（3）寻找专利布局突破点。量子通信的专利主要集中在通信与传输领域，当前这两大领域仍然是研发的重点。从专利的功效角度来看，保证通信安全、降低复杂度、提高效率、降低成本仍然是企业的主要技术研究趋势，因此规模较大的企业得益于其行业优势仍然会重点解决这几个方面的市场需求，但成立较晚的企业可以尝试从提高量子通信设备稳定性、便利性、可靠性、速度、精度和可控性等方面选择若干方向进行研发和突破，形成具有自身发展特色的行业竞争优势。目前，量子通信领域申请的专利数量越来越多，量子通信主体在追求专利数量的同时需要确保专利质量。随着量子通信基础技术的成熟，量子通信的应用以及与相关领域的结合将成为未来的技术发展重点和热点，量子通信主体可以进行前瞻性的研发，从长远视角出发进行知识产权布局和保护，让知识产权助力产业发展和创新。Analysis on patent layout and development trend of quantum communication in ChinaXIAO Qin, CHENG Guangming(National Quantum Communication (Guangdong) Co.,Ltd., Zhaoqing 526238, China)Abstract: The number of patent applications, application trend, applicants, provincial and municipal distribution and subdivision technology field distribution in the field of quantum communication in China are analyzed. So, the overall picture of the patent distribution in the field of quantum communication in China can be shown. By comparing the number of patent claims, the current patent protection scope and patent quality are given. At last, the suggestions on the research and development of quantum communication technology and patent layout are put forward, and the industrialization prospect of quantum communication from the perspective of patent are analyzed.Keywords: quantum communication; quantum key distribution; patent layout
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第12期
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
