量子通信中的探测技术专利分析

吕淼 王刚

摘 要：通过对量子通信中的探测技术进行专利分析，梳理该技术领域专利申请的发展趋势和主要申请地域，并对在华申请情况进行重点分析，从申请趋势、主要申请人、重点专利等方面进行阐述，从专利数据中挖掘研发实体能够得到的相关启示。

关键词：量子通信;探测;专利;技术分析

中图分类号：TN918;G306 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）34-0-03

Patent Analysis of Detection Technology in Quantum Communication

LYU Miao WANG Gang

（Patent Examination Cooperation Beijing Center， State Intellectual Property Office， Beijing 100160）

Abstract： Through the patent analysis of the detection technology in quantum communication， this paper combs the development trend and main application regions of patent applications in this technology field. Focusing on the application in China， this paper analyzes the application trend， main applicants and key patents， and excavates the relevant enlightenment that the R & D entity can get from the patent data.

Keywords： quantum communication;detection;patent;technical analysis

量子信息技術是量子力学与信息科学融合的新兴交叉学科，它的诞生标志着人类社会将从经典技术迈进到量子技术的新时代[1]。量子通信技术是量子信息领域的重要分支，量子通信最重要的两个应用是量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）和量子隐形传态。量子密钥分发和量子隐形传态的关键技术均包括单光子探测器[2]。目前，量子密钥分发系统的检测采用单光子探测器。单光子探测器包括红外单光子探测器、门控型单光子探测器、上转换单光子探测器和超导单光子探测器等类型[3-5]。为了适应极弱光探测的需要，如何降低探测器的温度来提高探测器的性能是研究的热点;在探测器的结构设计上，如何减小探测器体积、降低接线和安装复杂度、降低维护成本是研究的热点;为了避免攻击者直接攻击并控制携带信息的单光子探测器，如何对攻击进行检测和保护是单光子探测器的另一个研究重点。

1 全球专利分析

对全球的量子通信探测技术专利申请情况进行分析，在检索系统中对该技术进行检索，获得该技术在全球的专利申请趋势，如图1所示。

2000年以前探测技术的专利申请量很少，在2000年后申请量开始快速增长;2000—2010年申请量进入稳定期，每年均有一定量的申请，但申请量均未超过20件;2011年至今进入飞速增长期，至2019年达到近70件的年申请量;2020年和2021年申请量有所下降，可能与部分申请尚未公开有关。可见，检测技术经过前期的逐步发展进入目前的快速发展期。实际上，在2010年后，欧盟、美国和中国都相继推出了量子技术的发展规划，均对量子技术给予了高度重视，促进了相关产业的快速发展。

对探测技术的全球专利原创区域进行分析，可以得出该技术主要由哪些区域的申请人进行专利申请。如图2所示，探测技术的全球专利原创区域大部分在中国，占65%;其次是美国，占15%;日本排名第三，为11%，领先于欧洲和韩国;其他所有区域占比仅为1%。可见，中国在该技术领域的专利申请中占有绝对优势。

2 在华专利分析

经过近40年的积累，我国在量子通信领域已经实现全球领跑，并且有望扩大这一优势。

图3是涉及量子通信中检测技术的在华专利申请量逐年分布趋势图。从图3可以看出，检测技术2000年以前在华没有专利申请，2002年开始有零星的专利申请，2014年开始进入快速增长期，2019年达到最高申请量（近60件），2020年和2021年申请量有所下降，与部分申请尚未公开有关。

如图4所示，量子信息技术在华专利申请中，前10名申请人均为来自中国的创新主体，其中包括启科量子、科大国盾、中创为南京和问天量子4家以量子技术为核心的公司，南京大学、中国科技大学、清华大学和华南师范大学4所高校以及上海微系统所和济南量子研究院2所研究机构也展示了中国在量子信息领域的强大实力。科大国盾和问天量子的创始团队正是来自中国科技大学。

量子通信中的探测技术分为单光子探测器设计、温度控制、器件封装及攻击保护等几个方面。单光子探测器设计包括红外单光子探测器、门控型单光子探测器、上转换单光子探测器和超导单光子探测器等，分别选取几种单光子探测器的典型专利进行说明。

中国科学技术大学于2017年申请了《一种雪崩信号甄别方法和装置、红外单光子探测器》（CN106940221A），公开了一种雪崩信号甄别方法和装置以及红外单光子探测器。所述雪崩信号甄别方法通过对滤波器输出滤波后的雪崩信号进行宽度甄别，预设脉冲宽度阈值，通过比较将小于或等于脉冲宽度阈值的信号保留，大于脉冲宽度阈值的信号剔除。在保持探测效率基本不变的情况下，极大地降低了后脉冲出现概率，从而获得具有极低后脉冲概率的高速红外单光子探测器。

国开启科量子技术有限公司在2021年申请的《高速正弦门控单光子探测器》（CN113405677A）中公开了一种高速正弦门控单光子探测器，涉及雪崩脉冲电信号探测技术领域，包括探测电路和参考电路。高速正弦门控单光子探测器能够从探测电路产生的噪声信号中提取雪崩脉冲电信号，探测电路与参考电路为并联关系，能够有效保证信号完整性，提高了信噪比。

济南量子技术研究院于2021年申请了《一种级联PPLN波导结构及高效的上转换单光子探测器》（CN213843583U），公开了一种级联PPLN波导结构及利用该波导结构实现的高效的上转换单光子探测器。该级联PPLN波导结构可以包括第一级波导结构和第二级波导结构。借助这种级联PPLN波导结构，可以以简单紧凑的结构在硅探测器的高探测效率区域高效探测信号光。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所于2021年申请了《微纳光纤-波导-超导纳米线单光子探测器及制备方法》（CN113204075A），提供一种微纳光纤-波导-超导纳米线单光子探测器及制备方法。固定于V形槽的微纳光纤可以和波导实现高精度的光耦合对准，并使微纳光纤由粗变细的过渡段悬空，防止光向衬底的泄露，进而减少光传输过程的损耗。波导型超导纳米线结构可以在片上实现对光的完全吸收。弯角波导设计可使微纳光纤-波导的光耦合区域和波导型超导纳米线结构的光探测区域完全分离开，可有效减少沿光纤传播的背景辐射导致的暗计数，降低背景暗计数对光探测的影响。

单光子探测器通常采用雪崩光电二极管，而应用于单光子探测器的雪崩光电二极管需要在-50～-40 ℃的低温下工作。北京中创为南京量子通信技术有限公司于2020年申请了《一种单光子探测器及其制冷保温装置》（CN210719421U），公开了一种单光子探测器及其制冷保温装置。制冷保温装置包括固定模块、半导体制冷器、压板、保温壳体、保温壳盖、第一密封圈、第二密封圈以及散热器。本专利制冷保温装置制冷和保温效果好、体积小。

量子通信领域使用的单光子探测器的壳体是制冷盒，其结构内部一般要求做气密处理。如何进行合理封装来保证气密性也是一个研究重点。北京中创为南京量子通信技术有限公司于2019年申请了《一种单光子探测器壳体封胶固化工装》（CN209131844U），公开了一种单光子探测器壳体封胶固化工装，包括固定连接在一起构成框式结构的侧支撑板、底面支撑板和两个端面支撑板。侧支撑板、底面支撑板和两个端面支撑板均与水平面垂直设置，框式结构内固定设有与水平面平行的底板，侧支撑板和底面支撑板间隔设置，两个端面支撑板间隔设置，侧支撑板上边缘设有高于底板的挡沿。本专利的工装能对探测器壳体下部的移动进行限定，避免光纤与其他物件干涉。

科大国盾量子技术股份有限公司于2020年申请了《一种集成化单光子探测器组件》（CN112097899A），公开了一种集成化单光子探测器组件，包括基板和温控芯片以及多功能集成芯片。温控芯片包括TEC芯片，多功能集成芯片集成窄脉冲处理模块、雪崩信号甄别模块和雪崩信号符合模块，置于TEC芯片上方。窄脉冲处理模块与雪崩信号符合模块连接，雪崩信号符合模块与雪崩信号甄别模块连接。本发明具有电路所占空间小、生产制造难度小以及节约成本的优点。

随着量子密钥通信的不断进步，攻击方案也越来越多，如何对攻击进行检测和保护是单光子探测器的一个研究重点。

安徽问天量子科技股份有限公司于2018年申请了《单光子探测器探测致盲攻击的监测装置与方法》（CN107689829A），公开了一种单光子探测器探测致盲攻击的监测装置。温度监测模块用于监测单光子探测器光敏元件的工作温度;电压监测模块用于监测单光子探测器光敏元件的工作电压和甄别阈值电压;电流监测模块用于监测流过单光子探测器光敏元件的光电流;光电流可通过电流表进行监测，也可以通过对串联电阻进行电压采样进行监测;参数监测模块用于将实时指标数据与参考指标数据进行比較，以实现监测。本发明可有效监测目前已知的各种致盲攻击方案，发现致盲攻击后可进行报警、终止密钥分配，保障QKD系统的安全。

国开启科量子技术有限公司于2020年申请了《单光子探测器强光攻击检测与保护电路方法及装置》（CN112104427A）。本发明提供单光子探测器强光攻击检测与保护电路方法及装置，通过比较的方式实现对强光攻击的有效判定，无须根据传感器数据计算APD偏流值，通过增设反馈链路能够根据光纤链路距离变化自适应调整参考电压，从而保持对强光攻击的有效检测，避免漏检测导致密钥信号被窃取。

3 结语

探测技术作为量子通信的关键技术，中国在该技术申请量上遥遥领先，超过了全球其他区域申请量的总和。该技术领域的主要在华申请人均为中国申请人，既有高校研究所，也有启科量子、科大国盾、中创为南京和问天量子等以量子技术为核心的公司，表明我国在该领域既有前沿研究，也有一定的产业化。中国的量子通信企业要抓住发展机遇，强化知识产权保护，加强专利的海外布局，加深与研究机构的合作，保持优势，不断提升技术竞争力。

参考文献：

[1]蔡笑天，杨洋.我国量子通信产业化的发展趋势及实践思考[J].全球科技经济瞭望，2019（4）：26-32.

[2]秦晓娟，史信荣，王金东，等.单光子探测器性能对量子密钥分发系统的影响[J].强激光与粒子束，2010（7）：1661-1664.

[3]尤立星，张腊宝，史生才，等.高性能单光子探测技术研究进展[J].中国基础科学，2020（1）：25-29.

[4]白鹏，张月蘅，沈文忠.半导体上转换单光子探测技术研究进展[J].物理学报，2018（22）：63-78.

[5]尤立星.超导纳米线单光子探测现状与展望[J].红外与激光工程，2018（12）：9-14.