全球量子信息技术发展态势研究
摘要
量子信息技术作为未来重大技术范式变革的前沿领域，已成为全球科技战略布局的关注焦点。基于全球专利数据的计量分析发现：在整体趋势上，专利申请经历了2000—2015年的平稳发展期和2016—2022年的迅猛增长期两个阶段，且在量子通信、量子密钥分发、量子计算等主题上高度集中；在空间布局上，美国拥有的高质量专利数量远超其他国家，虽然中国的专利数量全球领先，但技术全球化战略布局较弱；在合作创新上，全球合作创新网络结构较为松散，且多存在于同类型的创新主体之间。对此，提出中国应加快实施量子信息技术全球化战略，聚焦关键领域布局高价值专利，并积极构建产学研用科技创新体系等建议。
01
全球量子信息技术的整体趋势
1.1 专利申请数量历经平稳发展和迅猛增长两个阶段
本研究以2000-2022年全球量子信息技术发明申请专利为样本，数量变化如图1所示。全球量子信息技术领域的专利申请大致可分为两个阶段：第一阶段为2000—2015年的平稳发展期，虽然期间部分年份的专利申请数量有所回落，但并不影响整体的上涨趋势。第二阶段为2016—2022年的迅猛增长期，自2016年专利申请数量首次突破1000件后，相关专利申请数量保持着稳定的增长态势，2019年起专利申请数量更是超过了2000件。
注：由于专利 从申请到公开有18个月的延迟，故2021年和2022年的专利数据收录不全，仅供参考。
1.2 专利技术构成集中于电学和物理两个大部
依据IPC主分类号划分相关专利所涉及的技术领域，如图2所示。该领域专利所属的技术领域主要集中于电学（H）和物理（G）大部，H部主要集中在H04L（量子通信和量子密钥分发技术）、H01L（量子器件的相关半导体技术）、H04B（量子通信设备或系统）等领域。G部主要集中在G06N（量子计算系统或方法）、G06F（量子编程、模拟或算法技术）、G01N（量子态测量与分析方法）等领域。
图2 全球量子信息技术的构成
02
全球量子信息技术的空间布局
2.1 中美专利申请和授权数量全球领先
就技术流出视角而言，申请人来自65个国家或地区。其中，中国的专利申请数量排名第一，占全球总量的比重高达52.54%，大幅超过了其他国家或地区。美国位列第二名，专利申请数量占比22.82%，虽与中国存在一定差距，但远远高于其他国家或地区。除了中国和美国之外，其他专利申请数量占比超过1%的国家或地区依次为日本（9.94%）、韩国（4.57%）、英国（3.66%）、德国（3.13%）、加拿大（2.32%）等；其余58个国家或地区的专利申请分布较为分散，总和占比只有1.03%。除此之外，中国量子信息技术领域的专利申请人的跨地域合作较少，相关专利仅有41项，合作对象主要来自美国、英国、德国、俄罗斯等。与之不同的是，美国有234项专利为跨地域合作研发专利，合作对象分布十分广泛，包括英国、德国、日本、中国、加拿大、荷兰、瑞士等。相对而言，美国在共同研发量子信息技术方面的表现更为突出，从而可以充分地利用和整合全球量子产业的资源优势，借助开放的市场力量加快创新速度，最终形成自身的竞争优势和核心竞争力。
从技术流入视角来看，专利主要在47个国家或地区公开。其中，在中国公开的专利数量为10 366件，位居榜首，占据了全球量子信息技术专利申请公开数量的47.98%，这表明中国是量子信息技术领域相关企业和科研机构进行专利布局的重点区域。紧随其后的是美国，以3 582件公开专利数量占据全球的16.58%，同样是该领域重要的目标市场，在未来的市场竞争中占据优势地位。其他专利公开占比超过1%的国家或组织，从高到低依次为：世界知识产权组织（10.09%）、日本（7.64%）、欧洲专利局（5.06%）、韩国（3.88%）、加拿大（1.42%）、英国（1.39%）、澳大利亚（1.30%）、印度（1.10%）、德国（1.00%）等。其余36个国家或组织公开的专利数量只有553件，占比为2.56%。
2.2 绝大部分高被引专利在美国申请保护
在2000—2022年，全球共有11 084条专利存在被引证情况，累计被引99 907次，其中累计被引次数超过60次的高被引专利有170件。
根据表1，在170件高被引专利中，美国拥有其中的100件，远远超过了其他国家拥有的高被引专利之和，专利平均被引次数达123.59次。同时，从全球量子信息技术领域专利被引次数排名来看，美国包揽了全部的前10件高被引专利以及前20件高被引专利中的18件。日本以22件高被引专利位居全球第二位，专利平均被引次数为77.55次。位居全球第三位的是英国，拥有11件高被引专利。位居全球第四位的是中国，拥有9件高被引专利，主要由浙江神州量子网络科技有限公司、国家电网有限公司、安徽量子通信技术有限公司、山东量子科学技术研究院有限公司等企业以及中国科学院物理研究所、上海交通大学、江南大学等高校院所申请，专利平均被引次数为77.89次。与中国拥有相同数量高被引专利的是韩国，其专利平均被引次数为70.89次。紧随其后的依次为加拿大、德国、澳大利亚、开曼群岛、中国台湾、比利时、法国和意大利，其中开曼群岛和加拿大分别占据了全球前20件高被引专利中的1件。
由此可见，在量子信息技术领域，绝大部分的高被引专利都是在美国申请保护的，美国仍然是该领域的全球霸主。相对于庞大的专利申请数量，中国的高被引专利数量并不多，说明中国具有基础创新性和奠基性的高质量量子信息技术还远远不够。因此，未来中国亟须推动有效市场和有为政府更好结合，依托各类社会主体之间的融通创新，构建由龙头企业牵头、高校院所支撑、各创新主体相互协同的创新联合体，打通基础研究、应用基础研究到产业化的双向通道。
03
全球量子信息技术的合作创新
申请人的合作情况如图3所示，节点大小代表申请人合作申请的专利数量多少，颜色区分申请人类型，连线粗细表征申请人合作的紧密程度。
计算结果表明，此网络的密度仅为0.016，结构较为松散，存在大量以三元组、四元组形式存在的互不连通的小团体。在全球量子信息技术领域专利合作创新网络社群中，以国家电网有限公司为中心形成了一个最大规模的子网络，相关的合作者主要包括南京南瑞国盾量子技术有限公司、南京南瑞信息通信科技有限公司、安徽量子通信技术有限公司等企业，北京邮电大学、华北电力大学、南京邮电大学、南昌大学等高校，以及国家电网旗下公司和研究院等。除此之外，还有两个以企业为主要合作方的子网络，分别是以IBM和科大国盾量子技术股份有限公司为中心构成的。其中，以IBM为中心的子网络，主要是围绕IBM在英国、德国、中国等的子公司展开合作创新；以科大国盾量子技术股份有限公司为中心的子网络，同样是围绕国盾量子旗下子公司、国科量子通信网络有限公司等企业展开合作创新。
在以高校为主体的合作创新子网络中，主要包括北京邮电大学、北京大学、南京邮电大学及清华大学之间的合作创新，上海交通大学、中国科学技术大学及南方科技大学之间的合作创新，杜克大学、马里兰大学及其帕克分校之间的合作创新等。在以学者为主体的合作创新方面，主要形成了以Radosavljevic Marko、Spiller Timothy P、Rose Geordie、Go Rowel C等为核心的较大规模子网络。对于科研机构而言，尚缺乏以其为主体的合作创新子网络。比较常见的形式是如北京量子信息科学研究院、国家电网山东电力科学研究院、中国电子科学研究院、日本科学技术振兴机构等参与到其他相关主体的合作创新子网络中。
由此可见，目前全球量子信息技术领域的合作创新主要集中于同类型的创新主体之间，充分联合企业、高校、科研机构及个人的多元主体协同创新模式较少。然而，不同类型主体之间的合作创新能够更好地增强创新辐射力和成果转化力，对于推动量子信息技术发展具有重要意义。因此，未来需要进一步加强各类型企业之间的联系，加大企业、高校、研究机构与个人之间的合作力度，形成多元主体紧密联系的大规模合作创新网络，从而提升整个网络的科技研发能力，促进量子信息技术领域的持续性创新发展。
04
中国推动量子信息技术创新发展的对策建议
第一，加强统筹指导，实施量子信息技术全球化战略。政府部门应当积极引导量子信息技术领域的相关创新主体关注海外市场，加强与其他国家和地区间的创新合作。例如：建立政府间量子信息技术合作机制，共同制定量子技术标准和规范；设立量子信息技术国际合作基金，资助企业和科研机构开展国际合作研发项目；组织企业参加量子技术国际展览和论坛，拓展国际间交流合作渠道等。此外，政府部门应当通过完善知识产权保护制度，帮助创新主体赢得量子信息产业国际发展先机。例如：加大对申请国际专利的政策支持力度，降低申请成本；建立知识产权快速维权机制，对侵权行为进行严厉打击和惩罚；完善知识产权运用和交易服务体系，培育知识产权运营服务机构，为创新主体提供专业化的知识产权管理咨询服务等。
第二，政府部门应聚焦关键领域，布局量子信息高价值专利。政府部门应当以实现高水平科技自立自强为引领，做好量子信息技术领域的顶层规划设计和前瞻布局。例如：组建高水平的量子信息技术专家委员会，研究确定量子信息技术发展方向和重点；加大在量子通信、量子计算等领域的战略科技力量投入，组建量子信息技术国家重点实验室等。此外，政府部门应当指导相关创新主体紧密跟踪领域内的前沿技术发展动向，聚焦关键核心技术领域，加快高价值专利研发进程。例如：制定详细的量子信息技术关键领域专利布局路线图和时刻表，引导企业和科研机构加大创新投入；设立面向量子信息技术企业的专利申请资助基金，加快核心技术专利产出；举办量子信息技术高价值专利申请培训班，提升企业专利策略水平与运营能力等。
第三，政府部门应鼓励交叉融合，构建产学研用科技创新体系。政府部门应当培育量子信息产业集群，引导产业链上下游的高校、科研院所、国家实验室、行业龙头企业、科技金融机构等的创新资源协同对接。例如：在高校和科研院所建立开放式的面向产业需求的研发平台，推动产学研结对共建；建立区域性量子信息技术创新联盟，推动区域内产学研单位的资源整合；设立量子信息技术成果转化基金，通过股权投资、技术授权等方式为前沿技术开发提供资金支持等。此外，政府部门应当营造多元创新主体积极参与创新的良好社会氛围，构建以龙头企业为主体、以市场应用为导向、产学研深度融合的科技创新生态系统。例如：举办量子信息技术创新大赛，激发科研人员的创新热情；加强量子信息技术领域的国际合作与交流，引进国际先进技术和经验等。
编辑邮箱：sciencepie@126.com