歐洲專利局報(bào)告：崛起中的量子計(jì)算技術(shù)

2023年元月23日，歐洲專利局（EPO）發(fā)布了一份關(guān)于量子計(jì)算的專利洞察報(bào)告。根據(jù)公開(kāi)的專利信息，該報(bào)告概述了整個(gè)量子計(jì)算和以下子部門:量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)、量子錯(cuò)誤糾正和緩解，以及與量子計(jì)算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)。這項(xiàng)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(shù)空間應(yīng)用領(lǐng)域的全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)(2001-2020年)。

在過(guò)去十年左右的時(shí)間里，許多大型技術(shù)公司已經(jīng)投入巨資開(kāi)發(fā)量子計(jì)算技術(shù)。這是一項(xiàng)極具優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比有許多優(yōu)勢(shì)，例如能夠分析大量數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根本無(wú)法在合理的時(shí)間內(nèi)完成這些工作。

該報(bào)告的一些主要結(jié)論是:

1)在過(guò)去十年中，量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)明數(shù)量成倍增長(zhǎng)。

2)總體而言，量子計(jì)算發(fā)明的增長(zhǎng)率高于所有技術(shù)領(lǐng)域。

3)高于平均水平的國(guó)際專利申請(qǐng)份額表明，人們對(duì)相關(guān)技術(shù)和跨國(guó)商業(yè)化戰(zhàn)略抱有很高的經(jīng)濟(jì)預(yù)期。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，大約十分之一的歐洲專利申請(qǐng)有幾個(gè)專利申請(qǐng)人，這表明他們之間的積極合作。專利申請(qǐng)人來(lái)自各大洲，明確關(guān)注同一地區(qū)或洲。在子行業(yè)“量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)”、“量子糾錯(cuò)/緩解”和“量子計(jì)算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)”中，專利趨勢(shì)活躍，發(fā)明數(shù)量也成倍增長(zhǎng)。

雖然所有技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明數(shù)量都在不斷增加，但量子計(jì)算領(lǐng)域的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均水平。沒(méi)有跡象表明量子計(jì)算領(lǐng)域的這種動(dòng)態(tài)發(fā)展將在未來(lái)幾年放緩，隨著我們?cè)絹?lái)越深入地進(jìn)入更復(fù)雜的數(shù)字領(lǐng)域，鼓勵(lì)和培養(yǎng)該領(lǐng)域的創(chuàng)新和合作將比以往任何時(shí)候都更加重要，這樣才能確保整個(gè)社會(huì)都能受益。

量子計(jì)算:每個(gè)最早出版年份的國(guó)際專利家族數(shù)量

每個(gè)最早出版年份的國(guó)際專利家族數(shù)量，作為具有高經(jīng)濟(jì)預(yù)期的發(fā)明的代表。

1.量子技術(shù)的空間應(yīng)用

量子技術(shù)的空間應(yīng)用是一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域，專利申請(qǐng)?jiān)谶^(guò)去五年中增長(zhǎng)了400%以上。量子密鑰分發(fā)、冷原子時(shí)鐘和冷原子干涉儀方面的大多數(shù)專利申請(qǐng)不是來(lái)自同一個(gè)關(guān)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(qǐng)統(tǒng)計(jì)，歐洲還不是太空相關(guān)量子技術(shù)創(chuàng)新的先行者。隨著最近歐洲量子通信基礎(chǔ)設(shè)施(EuroQCI)等重大方案的推出，這種情況在未來(lái)可能會(huì)有所改變，該方案旨在利用量子密鑰分發(fā)開(kāi)發(fā)一個(gè)歐洲量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，并應(yīng)包括一個(gè)重要的空間要素。

量子和空間領(lǐng)域都已成為包括歐洲國(guó)家和歐盟在內(nèi)的世界主要大國(guó)的重要戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域。在空間環(huán)境中使用量子技術(shù)是該技術(shù)的一種非常具體的用途，但這種用途正在得到越來(lái)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(wù)所證明的那樣。

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

對(duì)全球?qū)＠暾?qǐng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析強(qiáng)調(diào)了以下主要趨勢(shì):

（1）量子技術(shù)的空間應(yīng)用是一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域，專利申請(qǐng)?jiān)谶^(guò)去五年中增長(zhǎng)了400%以上。

（2）這種增長(zhǎng)主要是由量子密鑰分發(fā)的創(chuàng)新推動(dòng)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(shù)的空間應(yīng)用仍然是一個(gè)小領(lǐng)域，僅占整個(gè)量子技術(shù)領(lǐng)域的一小部分。

（4）大多數(shù)空間相關(guān)的量子技術(shù)創(chuàng)新源自歐洲以外，美國(guó)和中國(guó)在全球?qū)＠暾?qǐng)中領(lǐng)先。

（5）量子密鑰分發(fā)、冷原子時(shí)鐘和冷原子干涉儀方面的大多數(shù)專利申請(qǐng)不是來(lái)自同一個(gè)關(guān)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(shù)及其應(yīng)用日益增長(zhǎng)的政治興趣正在推動(dòng)該領(lǐng)域的創(chuàng)新，并為新發(fā)明創(chuàng)造切實(shí)的機(jī)會(huì)。在歐洲，量子技術(shù)和空間應(yīng)用，例如基于空間的量子密鑰分配，已經(jīng)被認(rèn)為是對(duì)社會(huì)和整個(gè)經(jīng)濟(jì)具有根本性影響的顛覆性技術(shù)領(lǐng)域。

空間相關(guān)量子技術(shù)專利系列的趨勢(shì)

2. 量子技術(shù)研究現(xiàn)狀

量子物理領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了幾十年，促進(jìn)了支撐現(xiàn)代社會(huì)的一些核心技術(shù)的發(fā)展，如激光器或晶體管。近年來(lái)，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(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著量子技術(shù)利用量子物理定律，他們能夠解決一些當(dāng)今數(shù)字時(shí)代面臨的最大挑戰(zhàn)，如安全通信、計(jì)算能力和傳感器精度。量子技術(shù)可以分為四個(gè)不同的區(qū)域:

（1）量子通信使用光子的量子狀態(tài)和適當(dāng)?shù)膮f(xié)議來(lái)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(lái)復(fù)制和測(cè)試不易接近的量子系統(tǒng)的模型。

（3）量子計(jì)算利用量子效應(yīng)來(lái)增加計(jì)算能力。

（4）量子計(jì)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(guó)政府在世界各地推出了幾項(xiàng)與量子技術(shù)相關(guān)的重大舉措和計(jì)劃，為基礎(chǔ)和高級(jí)研究提供了數(shù)十億歐元，包括空間應(yīng)用。所有這些舉措都旨在加速?gòu)膶W(xué)術(shù)研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。除了量子應(yīng)用的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值之外，各國(guó)政府還將量子計(jì)算視為一種戰(zhàn)略能力，因?yàn)樗鼈冊(cè)趪?guó)防、安全通信和增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全方面的潛在用途。

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

在過(guò)去十年中，私營(yíng)部門也在量子相關(guān)的研發(fā)方面進(jìn)行了大量投資，特別是在量子計(jì)算方面。全球科技巨頭(如谷歌、微軟、IBM、阿里巴巴、東芝)，而越來(lái)越多的量子技術(shù)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(zhǎng)，2017年和2018年合計(jì)達(dá)到近5億美元。

3.結(jié)束語(yǔ)

量子技術(shù)及其具體空間應(yīng)用在當(dāng)今世界的重要性正在迅速增長(zhǎng)，這一點(diǎn)從政府的主要計(jì)劃、該領(lǐng)域日益增加的私人投資和企業(yè)家精神以及專利申請(qǐng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以看出，本報(bào)告對(duì)此進(jìn)行了深入分析。

在這一領(lǐng)域觀察到的巨大勢(shì)頭可能會(huì)刺激未來(lái)的創(chuàng)新，并繼續(xù)促進(jìn)專利申請(qǐng)的上升趨勢(shì)。分析顯示，2001年至2020年期間，與空間相關(guān)的量子技術(shù)專利申請(qǐng)的增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了所有技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)率(5倍)。

盡管與空間相關(guān)的量子技術(shù)仍然是整個(gè)領(lǐng)域中的一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，但一些應(yīng)用，特別是量子密鑰分發(fā)技術(shù)，在未來(lái)將變得更大。這尤其得益于它們?cè)趹?yīng)對(duì)安全通信和網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵挑戰(zhàn)方面被廣泛認(rèn)可的戰(zhàn)略價(jià)值。今天，為電信設(shè)計(jì)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(xiàng)之一，特別提到了空間量子將發(fā)揮的作用。其中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分將是即將到來(lái)的EuroQCI的衛(wèi)星部分。雖然量子技術(shù)在歐洲政策議程中占據(jù)重要位置，但對(duì)專利申請(qǐng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析顯示，大多數(shù)與太空相關(guān)的量子技術(shù)創(chuàng)新源自歐洲以外，其中美國(guó)和中國(guó)走在前列。

審核編輯 ：李倩