全球量子信息技術發展態勢研究
摘要
量子信息技術作爲未來重大技術範式變革的前沿領域，已成爲全球科技戰略佈局的關注焦點。基於全球專利數據的計量分析發現：在整體趨勢上，專利申請經歷了2000—2015年的平穩發展期和2016—2022年的迅猛增長期兩個階段，且在量子通信、量子密鑰分發、量子計算等主題上高度集中；在空間佈局上，美國擁有的高質量專利數量遠超其他國家，雖然中國的專利數量全球領先，但技術全球化戰略佈局較弱；在合作創新上，全球合作創新網絡結構較爲鬆散，且多存在於同類型的創新主體之間。對此，提出中國應加快實施量子信息技術全球化戰略，聚焦關鍵領域佈局高價值專利，並積極構建產學研用科技創新體系等建議。
01
全球量子信息技術的整體趨勢
1.1 專利申請數量歷經平穩發展和迅猛增長兩個階段
本研究以2000-2022年全球量子信息技術發明申請專利爲樣本，數量變化如圖1所示。全球量子信息技術領域的專利申請大致可分爲兩個階段：第一階段爲2000—2015年的平穩發展期，雖然期間部分年份的專利申請數量有所回落，但並不影響整體的上漲趨勢。第二階段爲2016—2022年的迅猛增長期，自2016年專利申請數量首次突破1000件後，相關專利申請數量保持着穩定的增長態勢，2019年起專利申請數量更是超過了2000件。
注：由於專利 從申請到公開有18個月的延遲，故2021年和2022年的專利數據收錄不全，僅供參考。
1.2 專利技術構成集中於電學和物理兩個大部
依據IPC主分類號劃分相關專利所涉及的技術領域，如圖2所示。該領域專利所屬的技術領域主要集中於電學（H）和物理（G）大部，H部主要集中在H04L（量子通信和量子密鑰分發技術）、H01L（量子器件的相關半導體技術）、H04B（量子通信設備或系統）等領域。G部主要集中在G06N（量子計算系統或方法）、G06F（量子編程、模擬或算法技術）、G01N（量子態測量與分析方法）等領域。
圖2 全球量子信息技術的構成
02
全球量子信息技術的空間佈局
2.1 中美專利申請和授權數量全球領先
就技術流出視角而言，申請人來自65個國家或地區。其中，中國的專利申請數量排名第一，佔全球總量的比重高達52.54%，大幅超過了其他國家或地區。美國位列第二名，專利申請數量佔比22.82%，雖與中國存在一定差距，但遠遠高於其他國家或地區。除了中國和美國之外，其他專利申請數量佔比超過1%的國家或地區依次爲日本（9.94%）、韓國（4.57%）、英國（3.66%）、德國（3.13%）、加拿大（2.32%）等；其餘58個國家或地區的專利申請分佈較爲分散，總和佔比只有1.03%。除此之外，中國量子信息技術領域的專利申請人的跨地域合作較少，相關專利僅有41項，合作對象主要來自美國、英國、德國、俄羅斯等。與之不同的是，美國有234項專利爲跨地域合作研發專利，合作對象分佈十分廣泛，包括英國、德國、日本、中國、加拿大、荷蘭、瑞士等。相對而言，美國在共同研發量子信息技術方面的表現更爲突出，從而可以充分地利用和整合全球量子產業的資源優勢，藉助開放的市場力量加快創新速度，最終形成自身的競爭優勢和核心競爭力。
從技術流入視角來看，專利主要在47個國家或地區公開。其中，在中國公開的專利數量爲10 366件，位居榜首，佔據了全球量子信息技術專利申請公開數量的47.98%，這表明中國是量子信息技術領域相關企業和科研機構進行專利佈局的重點區域。緊隨其後的是美國，以3 582件公開專利數量佔據全球的16.58%，同樣是該領域重要的目標市場，在未來的市場競爭中佔據優勢地位。其他專利公開佔比超過1%的國家或組織，從高到低依次爲：世界知識產權組織（10.09%）、日本（7.64%）、歐洲專利局（5.06%）、韓國（3.88%）、加拿大（1.42%）、英國（1.39%）、澳大利亞（1.30%）、印度（1.10%）、德國（1.00%）等。其餘36個國家或組織公開的專利數量只有553件，佔比爲2.56%。
2.2 絕大部分高被引專利在美國申請保護
在2000—2022年，全球共有11 084條專利存在被引證情況，累計被引99 907次，其中累計被引次數超過60次的高被引專利有170件。
根據表1，在170件高被引專利中，美國擁有其中的100件，遠遠超過了其他國家擁有的高被引專利之和，專利平均被引次數達123.59次。同時，從全球量子信息技術領域專利被引次數排名來看，美國包攬了全部的前10件高被引專利以及前20件高被引專利中的18件。日本以22件高被引專利位居全球第二位，專利平均被引次數爲77.55次。位居全球第三位的是英國，擁有11件高被引專利。位居全球第四位的是中國，擁有9件高被引專利，主要由浙江神州量子網絡科技有限公司、國家電網有限公司、安徽量子通信技術有限公司、山東量子科學技術研究院有限公司等企業以及中國科學院物理研究所、上海交通大學、江南大學等高校院所申請，專利平均被引次數爲77.89次。與中國擁有相同數量高被引專利的是韓國，其專利平均被引次數爲70.89次。緊隨其後的依次爲加拿大、德國、澳大利亞、開曼羣島、中國臺灣、比利時、法國和意大利，其中開曼羣島和加拿大分別佔據了全球前20件高被引專利中的1件。
由此可見，在量子信息技術領域，絕大部分的高被引專利都是在美國申請保護的，美國仍然是該領域的全球霸主。相對於龐大的專利申請數量，中國的高被引專利數量並不多，說明中國具有基礎創新性和奠基性的高質量量子信息技術還遠遠不夠。因此，未來中國亟須推動有效市場和有爲政府更好結合，依託各類社會主體之間的融通創新，構建由龍頭企業牽頭、高校院所支撐、各創新主體相互協同的創新聯合體，打通基礎研究、應用基礎研究到產業化的雙向通道。
03
全球量子信息技術的合作創新
申請人的合作情況如圖3所示，節點大小代表申請人合作申請的專利數量多少，顏色區分申請人類型，連線粗細表徵申請人合作的緊密程度。
計算結果表明，此網絡的密度僅爲0.016，結構較爲鬆散，存在大量以三元組、四元組形式存在的互不連通的小團體。在全球量子信息技術領域專利合作創新網絡社羣中，以國家電網有限公司爲中心形成了一個最大規模的子網絡，相關的合作者主要包括南京南瑞國盾量子技術有限公司、南京南瑞信息通信科技有限公司、安徽量子通信技術有限公司等企業，北京郵電大學、華北電力大學、南京郵電大學、南昌大學等高校，以及國家電網旗下公司和研究院等。除此之外，還有兩個以企業爲主要合作方的子網絡，分別是以IBM和科大國盾量子技術股份有限公司爲中心構成的。其中，以IBM爲中心的子網絡，主要是圍繞IBM在英國、德國、中國等的子公司展開合作創新；以科大國盾量子技術股份有限公司爲中心的子網絡，同樣是圍繞國盾量子旗下子公司、國科量子通信網絡有限公司等企業展開合作創新。
在以高校爲主體的合作創新子網絡中，主要包括北京郵電大學、北京大學、南京郵電大學及清華大學之間的合作創新，上海交通大學、中國科學技術大學及南方科技大學之間的合作創新，杜克大學、馬里蘭大學及其帕克分校之間的合作創新等。在以學者爲主體的合作創新方面，主要形成了以Radosavljevic Marko、Spiller Timothy P、Rose Geordie、Go Rowel C等爲核心的較大規模子網絡。對於科研機構而言，尚缺乏以其爲主體的合作創新子網絡。比較常見的形式是如北京量子信息科學研究院、國家電網山東電力科學研究院、中國電子科學研究院、日本科學技術振興機構等參與到其他相關主體的合作創新子網絡中。
由此可見，目前全球量子信息技術領域的合作創新主要集中於同類型的創新主體之間，充分聯合企業、高校、科研機構及個人的多元主體協同創新模式較少。然而，不同類型主體之間的合作創新能夠更好地增強創新輻射力和成果轉化力，對於推動量子信息技術發展具有重要意義。因此，未來需要進一步加強各類型企業之間的聯繫，加大企業、高校、研究機構與個人之間的合作力度，形成多元主體緊密聯繫的大規模合作創新網絡，從而提升整個網絡的科技研發能力，促進量子信息技術領域的持續性創新發展。
04
中國推動量子信息技術創新發展的對策建議
第一，加強統籌指導，實施量子信息技術全球化戰略。政府部門應當積極引導量子信息技術領域的相關創新主體關注海外市場，加強與其他國家和地區間的創新合作。例如：建立政府間量子信息技術合作機制，共同制定量子技術標準和規範；設立量子信息技術國際合作基金，資助企業和科研機構開展國際合作研發項目；組織企業參加量子技術國際展覽和論壇，拓展國際間交流合作渠道等。此外，政府部門應當通過完善知識產權保護制度，幫助創新主體贏得量子信息產業國際發展先機。例如：加大對申請國際專利的政策支持力度，降低申請成本；建立知識產權快速維權機制，對侵權行爲進行嚴厲打擊和懲罰；完善知識產權運用和交易服務體系，培育知識產權運營服務機構，爲創新主體提供專業化的知識產權管理諮詢服務等。
第二，政府部門應聚焦關鍵領域，佈局量子信息高價值專利。政府部門應當以實現高水平科技自立自強爲引領，做好量子信息技術領域的頂層規劃設計和前瞻佈局。例如：組建高水平的量子信息技術專家委員會，研究確定量子信息技術發展方向和重點；加大在量子通信、量子計算等領域的戰略科技力量投入，組建量子信息技術國家重點實驗室等。此外，政府部門應當指導相關創新主體緊密跟蹤領域內的前沿技術發展動向，聚焦關鍵核心技術領域，加快高價值專利研發進程。例如：制定詳細的量子信息技術關鍵領域專利佈局路線圖和時刻表，引導企業和科研機構加大創新投入；設立面向量子信息技術企業的專利申請資助基金，加快核心技術專利產出；舉辦量子信息技術高價值專利申請培訓班，提升企業專利策略水平與運營能力等。
第三，政府部門應鼓勵交叉融合，構建產學研用科技創新體系。政府部門應當培育量子信息產業集羣，引導產業鏈上下游的高校、科研院所、國家實驗室、行業龍頭企業、科技金融機構等的創新資源協同對接。例如：在高校和科研院所建立開放式的面向產業需求的研發平臺，推動產學研結對共建；建立區域性量子信息技術創新聯盟，推動區域內產學研單位的資源整合；設立量子信息技術成果轉化基金，通過股權投資、技術授權等方式爲前沿技術開發提供資金支持等。此外，政府部門應當營造多元創新主體積極參與創新的良好社會氛圍，構建以龍頭企業爲主體、以市場應用爲導向、產學研深度融合的科技創新生態系統。例如：舉辦量子信息技術創新大賽，激發科研人員的創新熱情；加強量子信息技術領域的國際合作與交流，引進國際先進技術和經驗等。
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