基于专利计量的中美量子计算技术发展态势研究

颜学明，刘建明

(1.广东外语外贸大学，广东广州 510006；2.广东省科学技术情报研究所，广东广州 510033)

1 研究背景

为了在全球量子科技中占领技术制高点，以美国为代表的发达国家从项目、资金和人才培养等方面出台了一系列量子信息技术的帮扶政策，大力支持高等学校、科研院所加强量子信息技术开展项目研究。为占据量子信息技术制高点，美国于2018 年出台了《国家量子计划法案》，对发展量子信息技术进行了立法保障，这部法案明确了美国发展量子信息的总体框架。此外，美国还特意成立了国家量子协调办公室，计划投入12.75 亿美元开展量子信息技术的研究与应用［1］。中国在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中明确提出要瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。2020 年10 月16 日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。由此可见，中国也已经将发展量子信息提升到国家战略的高度。

随着芯片集成度不断提升，单位面积的晶体管数量已经逐渐逼近物理限制，电子计算机的发展将面临新的挑战，而量子计算作为量子力学与信息科学交叉结合的新兴技术［2］，是量子信息领域重要的技术方向［3］，尤其是量子计算机拥有强大的并行计算能力将为人类社会提供强大算力，在后摩尔时代，基于量子比特的叠加性、纠缠性等特性,使量子计算机有望突破经典电子计算机的极限，并从一定程度上解决电子计算机上某些无法解开的难题。当今世界正经历百年未有之大变局，经济全球化遭遇逆流，产业链供应链安全受到威胁，中国芯片产业对外依存度较高，在美国技术封锁下，陷入了“卡脖子”的困境。为了彻底摆脱困境，实现高水平科技自立自强，本研究从中美量子计算专利视角，把握量子计算的发展趋势，在信息技术上实现弯道超车具有重要借鉴意义。

2 文献综述

量子计算作为前沿颠覆性技术对中美两国都十分重要，研究量子计算技术和产业具有重大意义。因此，准确把握当前量子计算发展阶段，分析量子计算关键技术对于制定量子计算发展战略，推动量子计算相关产业快速健康发展具有重要意义。

物理学家Feynman［4］于1982 年首次提出，根据量子力学的原则来构建的新型计算机在求解某些问题会更有效。周武源等［5］基于德温特数据库和incoPat 数据库对全球量子计算专利申请趋势、地区分布情况和技术领域分别进行了相关分析，并为中国发展量子计算提供了有针对性的参考。张海懿等［6］梳理了量子计算的技术、产业发展现状，并对适用于量子计算的若干潜在应用展开分析，最后对未来量子计算的应用发展进行了展望。田倩飞等［7］以Web of Science 数据库中的SCI 论文作为数据源，基于文献计量的理论来研究量子计算相关理论的进展情况，从论文数量、主要国家和科研机构及不同机构的论文合作网络等维度进行了分析，采用VOSViewer 软件挖掘了量子计算的高频词汇。于杰平等［8］从科技规划、论文和产业三个维度来分析中美两国量子计算发展现状，研究发现美国在量子计算基础研究和产业应用均领先中国，有针对性地从四个方面提出促进中国量子计算发展的对策建议。李晓巍等［9］回顾了量子计算思想与概念的形成、重要理论及算法的发展以及应用情况，系统梳理了超导量子计算、分布式超导量子计算、光量子计算等具有代表性的量子计算技术路线及其发展态势，针对量子计算多条技术路线存在的共性问题，对我国量子计算领域未来发展提出对策建议。沙锐等［10］基于智慧芽专利数据，从专利申请趋势、技术领域分布、申请机构、专利布局等方面，结合中美两国在该领域的布局情况，对中美两国量子信息科学产业的发展态势进行了分析比较，研究认为中国主要聚焦于量子通信，美国更加关注量子计算机，最后从国家战略层面、产学研融合、技术研究领域和人才培养方面提出对策建议。李刚［11］从科技政策、资金投入等方面分析了美国、欧洲、英国和日本等国家在量子信息技术上发展情况，列举了中国在量子信息技术上取得的成绩，分析了制约中国量子信息技术发展的重要因素，最后提出了促进量子信息技术发展的对策建议。张桂红［12］基于智慧芽专利数据库，分别从专利申请趋势、技术领域、专利权人和专利权人区域来考量量子信息技术发展现状，研究发现，美国和日本两国早期的专利申请较多，近年来中国量子信息技术专利申请已超过日本，仅次于美国。

量子计算作为量子信息中最具备颠覆性，同时也是难度最大的技术领域，尤其是量子计算机对于中国在信息技术实现弯道超车具有十分重要的意义。此外，全球知名高端智库美国兰德公司发布《中美量子技术产业基础评估》报告，全面评估了美国量子计算产业基础现状，对比分析了中美量子计算产业基础差异，说明量子计算已经从科学研究逐步走向产业化阶段。由于量子计算的前沿性和新颖性，导致量子计算产业经济相关数据的获取较为困难，专利是基础研究走向应用研究和产业化阶段的重要标志，里面蕴含了大量的技术发明信息，对于分析中美两国量子计算技术发展现状及预测未来技术具有十分重要的作用［13］。因此，本文从专利数据的视角出发，把握中美量子计算技术竞争态势，分析中美量子计算技术的优劣势，并且归纳提炼美国在政府政策支持、科学研究活动、企业技术创新等多个层面推动量子计算技术的发展的先进经验和做法，以期发现中国量子计算技术存在的短板，对于制定中国量子计算发展战略，推动量子计算技术和产业的持续、健康发展具有重要意义。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

为了全面、准确地遴选量子计算的关键检索词，本文参考中国信通院［3,14-15］的系列白皮书、清华大学龙桂鲁［16］关于量子计算机的论文以及中国科学院计算技术研究所夏培肃［17］院士发表在国内计算机领域顶级学术期刊上的量子计算论文，将量子计算涉及的技术领域分为量子芯片、量子基础平台和量子计算应用三个方面。为提高专利文献的查全率，本文从以上参考文献中选取量子计算的部分关键词作为检索词，在万方数据库和知网数据库进行文献检索，提取相似度较高的关键词，多次重复上述操作，直至提取的关键词没有太大变化。本文以智慧芽全球专利数据库作为数据源［18］，检索的关键词为：TAC_ALL:((量子 $PRE2 编码) OR (quantum $PRE2 coding) OR (量子$PRE2 处理器) OR (quantum $PRE2 processor) OR (量子$PRE2 芯片) OR (quantum $PRE2 chip) OR (超导$PRE2 量子) OR (superconducting $PRE2 quantum) OR (半导体量子) OR (semiconductor $PRE1 quantum) OR (离子阱 $PRE2 量子) OR (quantum $PRE2 "trapped ion") OR (光量子$PRE2 (计算OR芯片)) OR ("photon quantum") OR (拓扑 $PRE2 量子) OR (topology $PRE2 quantum) OR (中性原子 $PRE2 量子) OR (quantum $PRE2 "neutral atom") OR (硅半导体AND量子) OR ("silicon semiconductor" AND quantum) OR (量子$PRE2 云平台) OR (quantum $PRE2 "cloud platform") OR (量子$PRE2 操作系统) OR (quantum $PRE2 "operating system") OR (量子 $PRE2 算法 OR quantum $PRE2 algorithm) OR (量子 $PRE2 编程) OR (quantum $PRE2 programming) OR (量子$PRE2 指令集) OR (quantum $PRE2 "instruction set") OR (量子 $PRE2 编译器) OR (quantum $PRE2 compiler) OR (量子$PRE2 测控) OR (quantum $PRE2 measurement) OR (量子 $PRE2 优化) OR (quantum $PRE2 optimization) OR (量子$PRE2 机器学习) OR (quantum $PRE2 "machine learning") OR (量子 $PRE2 人工智能) OR (quantum $PRE2 "artificial intelligence") OR (量子 $PRE2 化学) OR (quantum $PRE2 chemistry) OR (量子$PRE2 金融) OR (quantum $PRE2 finance) OR (量子计算机 OR "quantum computer"))，检索时间2000—2020 年，去掉发明专利申请公开的重复数据，过滤掉失效专利，IPC 分类为G 部和H 部，一共得到美国发明专利申请1 784 件，美国已授权发明专利1 464 件，中国发明专利申请2 229 件，中国已授权发明专利1 126 件。

3.2 研究方法

本文采用文献计量学中关于专利计量的研究方法，在宏观层面根据专利申请量来分析研判中美两国在量子计算的发展态势；中观层面分析中美两国在量子计算的具体技术领域分布情况；从微观层面分析中美两国量子计算的主要专利权人和高价值专利，借此全方面、多角度来对比分析中美两国在量子计算的发展情况。

4 中美量子计算技术发展现状分析

4.1 发明专利申请情况分析

从2000—2020 年，中美两国创新主体在量子计算领域共申请了4 013 件发明专利。中美量子计算2000—2020 年发明专利申请量如图1 所示。通过图1 的数据显示分析，中国的量子计算发展可以成为三个阶段：（1）2000—2008 年是中国量子计算的萌芽阶段，发明专利申请量只有个位数，起步约比美国晚8 年时间；（2）2009—2014 年是中国量子计算的稳步发展期，发明专利申请量稳步增长，2012 年的发明专利申请量首次超过美国；（3）2015—2020年是中国量子计算的快速发展期，发明专利申请量呈指数式增长。反观美国的量子计算成长路径与中国有所不同，2000 年以前是美国量子计算的萌芽期，此后的十余年一直是平稳发展，2014 年量子计算驶入快车道，发明专利申请量显著增加。

图1 2000—2020 年中美量子计算发明专利申请量

此外，PCT 专利申请也能反映一个国家创新主体参与国际竞争的实力。由图1 可见，从PCT 国际专利申请量来看，中美两国近20 年在量子计算领的PCT 国际专利申请量736 件，其中中国的PCT 国际专利申请量95 件，美国641 件，中国PCT 国际专利申请量不到美国的1/6。从PCT 国际专利申请时间来看，美国在2000 年就开始在海外市场布局PCT 国际专利，近十几年来一直保持平稳增长，然而中国在2012 年之前仅有零星的PCT 国际专利申请，并且在2015 年的专利申请量逐渐与中国拉开距离（见图2）。由此可见，美国的企业瞄准全球市场对量子计算进行专利布局，中国的企业是在2012 年以后才开始进入全球市场，比美国晚了十几年。

图2 2000—2020 年中美量子计算历年PCT 专利申请情况

由图2 可见，从发明专利申请趋势来看，美国起步明显早于中国，主要是因为美国对量子计算的政策布局要早于中国。大名鼎鼎的美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在2002 年就制定了《量子信息科学和技术发展规划》，规划明确给出了量子计算发展的计划和时间表，目标是若干年内在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、光量子计算、离子阱量子计算等领域取得重大研究进展。随后美国国家相关部委又陆续出台了系列支持量子计算发展的举措。美国国家科学技术委员会发布《量子信息科学国家总体战略》，把量子计算作为未来十年量子信息技术的重要环节［8］。2018 年，美国时任总统特朗普签署了《国家量子倡议法案》，全方位加速量子科技的研发与应用，确保美国在量子科技领先地位。美国在量子信息技术发展的早期阶段通过科技规划来制定量子计算研发计划的时间表和进度条，随后通过国家科学技术委员会来明确技术发展的总体战略，最后上升到国家方案，通过国家立法来保障资金、人才、基础设施等投入，从而带动社会资本和市场主体加大研发投入，实现从“基础研究—技术开发—成果产业化”的全链条的先发优势。

中国自2006 年起，科技部和中国科学院开始资助量子科技的项目研究，主要集中在量子通信技术。《“十三五”国家科技创新规划》明确提出了要设立“量子通信与量子计算机”重大科技项目，提出要研制量子计算原型机，量子计算列入国家发展战略，迎来了量子计算发展的高峰期。这主要得益于中国政府全面实施创新驱动发展战略，研发经费投入规模仅次于美国，稳居世界第二位，研发投入强度也是稳步提升，已接近OECD 国家的平均水平，也正是由于中国将科技作为第一生产力，不断加大在量子计算等前沿技术领域的经费、人才投入，中国才能在量子计算追赶美国。

4.2 发明专利授权情况分析

考虑到发明专利申请样本中存在一部分未授权专利，这些未得到授权的专利质量又参差不齐。如果仅从专利申请情况来分析发展趋势可能会存在误判，因此，为了提高分析质量，本文对发明专利授权量进行重点分析。如图3 所示，美国的发明专利授权量明显高于中国，这主要有以下几个原因：一是美国政府出台发展量子计算的政策比中国早，量子计算的相关人才储备比中国多。二是在产业发展阶段也比中国早，以美国谷歌、IBM 公司为代表的IT 巨头很早就涉足量子计算领域，提前谋划和布局了一批发明专利。三是量子计算涉及量子力学和信息科学的融合，美国在这两个学科都拥有一批世界顶级人才，基础研究实力雄厚，成果产业化土壤肥沃。

图3 2000—2020 年中美量子计算发明专利授权趋势

中国近年来的表现较为亮眼，尤其是2012 年以后，发明专利授权量紧追美国，甚至在个别年份还赶超美国，主要得益于中国政府高度重视量子技术的发展，在安徽合肥设立了量子信息国家实验室，成为了量子信息的国家队，因此在人才和资金上均得到了保障。2020 年发明专利授权量比上年少可能是因为发明专利授权的时间比较长。

4.3 技术领域分析

专利IPC分类是国际通用的专利技术分类体系，因此通过分析中美两国量子计算的IPC 分类可以窥探两国在量子计算的技术领域布局。此外，通过对IPC 大组进行统计分析，挖掘量子信息的热点技术。

表1 枚举了中美两国量子计算发明专利授权量排在前10 的IPC 大组类，从表中数据来看，美国在基于量子力学现象的信息处理（G06N10）上的发明专利授权量最多，说明美国在量子计算依赖的基础理论做了很多深入的研究，基础研究是“源头活水”。发明专利授权量排在前7 位的IPC 大组几乎都是与量子计算的底层硬件技术相关的专利，包括逻辑电路、超导线圈及量子计算的存储纳米技术等，纯具体应用的专利反而不多。反观中国，发明专利授权量最多的是保密或者安全通信装置（H04L9），排名第二的才是基于量子力学现象的信息处理（G06N10）相关的发明专利，第三位的是基于生物学模型的计算（G06N3），利用量子计算的理论方法改进生物学的仿生算法（例如遗传算法）。总的来说，中国在量子计算领域的布局更偏向于应用，底层的理论及量子计算的硬件专利较美国偏少。

表1 中美量子计算发明专利授权前10 位IPC 技术领域分布 单位：件

表1 （续）

5 中美典型机构和高被引专利分析

5.1 中美典型机构专利人分析

为了发掘量子计算的创新主体在中美的布局情况，我们从微观层面分析中美两国量子计算典型专利人。表2 列举了中美两国量子计算发明专利授权量排名前十位的专利权人。在中国国家知识产权局的量子计算专利申请中，排名前10 位的均来自中国，有6 家是高校和科研院所，4 家为企业。美国专利与商标局有8 家为企业，2 家为高校和科研院所。由此可见，中国的高校和科研院所仍然是量子计算的创新主力军，企业创新力量还不足，排第二位的合肥本源量子已然是国内量子计算的龙头企业，但从中科院孵化出来的时间还比较短，公司的发展仍处在起步阶段。相比之下，美国的量子计算创新主体主要为企业，IBM、微软、英特尔、谷歌等IT 巨头已成为美国量子计算的主力军。此外，加拿大的D-WAVE 公司和日本的东芝也开始在美国市场进行专利布局，说明加拿大和日本比较看好美国的量子计算发展前景。美国的量子计算已经从实验室阶段走向产业化阶段。

表2 中美发明专利授权量排名前十的专利权人 单位：件

5.2 高被引专利分析

研究表明，专利引用过程中蕴含着知识活动，引用过程中包含着知识的产生与传播、知识的发展与重组等活动［19］，高被引专利则被认为是该技术领域内创新强、应用前景广阔的核心专利。本文中的高被引专利指专利自申请公开后累计被其他专利引用达到60 次以上的专利［20］，量子计算高被引专利情况见表3 所示。从表3 来看，加拿大量子计算D-WAVE 公司在美国专利和商标局申请的高被引专利有16 件，总量位居首位，被引用次数排前五专利有3件出自D-WAVE公司，被引用次数高达1 767次，平均每件专利的被引用次数达到110.4 次，说明该企业把大量的核心专利和高价值专利布局在美国市场布局，以期在美国的量子计算产业占据一席之地。美国的军工企业诺斯洛普格鲁门公司的高被引专利有3 件，居第二位，被引用次数达到261 次，平均每件专利的被引用次数为87 次。这主要是由于量子计算技术一开始就由美国国防部提出，以用于增强国防军事力量，随着该技术的不断发展，逐渐渗透到民用。中国只有华为一家企业的专利入选高被引专利，数量和引用次数均少于加拿大和美国的企业，说明中国在量子计算上拥有核心专利的企业还是太少。

表3 量子计算高被引专利情况 单位：次

表3 （续）

6 美国发展量子计算的经验及启示

美国发展量子计算的先进经验值得我们借鉴学习。首先，美国非常重视量子信息领域的顶层设计，2018 年颁布通过的《国家量子计划法案》，该法案制定了为期10 年的国家量子计划框架，授权国家标准与技术研究院、国家科学基金会和能源部等相关部门加强协调，联合制定量子信息科学研发计划，并加强量子信息的军民融合应用。其次，美国高度重视对量子信息技术的基础理论研究，大力培养量子学科的专业人才。再次，美国积极构建量子计算的企业创新生态，支持企业深度参与政府设立的科研项目，加强高校、科研机构和企业的产学研融合创新。例如美国能源部（DOE）投资6.25 亿美元建立量子信息科学研究中心，项目得到了IBM、微软、英特尔等IT 巨头大力支持与深度参与。最后，美国也是高度重视量子计算领域的国际合作，充分调度国际合作伙伴资源联动开展技术研究，通过官方合作促进国际前沿合作。例如美国和英国签署了量子科技合作的联合声明，具体内容包括促进量子领域联合研究、建立全球市场和供应链并培训下一代科学家和工程师。我国目前在量子计算的顶层设计制度仍然不够明晰，基础研究还比较薄弱，人才培养机制尚未建立，企业规模还比较弱小。因此，美国在量子计算的顶层设计、基础研究和人才培养、企业创新生态构建和国际合作等经验给我国发展量子计算提供了重要启示。

7 研究结论与建议

7.1 研究结论

基于中美两国的量子计算专利文献数据，本文从专利计量的视角，由面到点全面分析中美两国的发明专利申请趋势、PCT 专利申请趋势、技术领域和典型机构专利权人的情况，长跨度跟踪中美量子计算技术的发展态势。研究表明，中国在量子计算起步晚于美国，但是发展后劲很足，发明专利申请已经赶超美国，但是专利质量较美国还有一定的差距，中国的量子计算的创新主体仍然是高校和科研院所，美国的企业已经成为量子计算的主力军。美国量子计算早期以国防研究需要，制定量子信息科技发展规划，通过科技规划来制定量子计算涉及技术的研发计划的时间表和进度条，随后通过国家科学技术委员会来明确技术发展的总体战略，最后上升到国家方案，最终通过国家立法来保障资金、人才、基础设施等投入，从而带动社会资本和市场主体加大研发投入，实现从“基础研究—技术开发—成果产业化”的全链条的模式。美国对量子计算采用这种研发模式可以实现从政策链、创新链、人才链、资金链、产业链的融通发展，从而更好地保障美国在量子计算的全球主导地位和先发优势。从PCT 专利申请布局和专利申请人来看，美国的研发模式可以提高美国企业的研发效率，快速地从基础研究迈入成果产业化的进程，有助于企业迅速走出国门抢占全球市场，构建高效的专利网以求得在别国构筑技术壁垒。中国在量子计算研发起步时间晚、研究基础较为薄弱，原创新的成果较少，目前大量的研发工作主要还是由高校和科研院所承担，仍处于研发的早期阶段，企业在量子计算技术的研发实力偏弱，信息技术的大型企业对量子计算的关注度还不够高。

7.2 政策建议

当前国际格局和国际体系正在发生深刻调整，全球治理体系正在发生深刻变革。随着中国在量子计算领域持续发力，并研制出九章量子计算机原型机［21］，让我国成为全球第二个实现量子霸权的国家。但是我国量子计算研发主要还是集中在财政资助的高校和科研机构，企业参与度较低，量子计算布局更偏向于应用，涉及的量子计算理论的研究较少，此外，量子计算的硬件专利偏少，关键材料和组件未来可能面临“卡脖子”的风险。

未来中美在量子计算，尤其是在量子计算机领域可能会出现“你追我赶”的态势，美国的量子计算技术起步比我们早，拥有一批世界级领军企业，我国拥有社会主义的优越制度优势，能集中力量办大事，在新型举国体制的研发模式下，也取得了一批重大原创成果。根据以上结论，结合中国的国情，借鉴学习美国的先进经验和做法，提出发展壮大量子计算的政策建议。

（1）抓好量子计算顶层规划设计和前瞻布局，建设世界量子计算强国。一是指导国内高端智库持续跟踪量子计算，尤其是加强对美国的技术跟踪，做到知己知彼。二是从国家层面做好量子计算的顶层设计，下好先手棋，谋划全局，制定“量子科技十年行动方案”，制定路线图和时间表。三是找到量子计算发展的切入口，统筹做好量子计算相关的学科，以培育量子芯片、量子计算机为核心的新兴产业为目标，跻身全球量子计算第一梯队，抢占量子计算技术和产业制高点。四是在北京、合肥等量子计算发展优势明显的地区布局一批国家级科技基础平台，筑巢迎凤，吸引全球量子计算顶尖科学家和工程师创新创业。

（2）加快量子计算基础研究取得突破，开展新型举国体制的核心技术攻关。一是要持续加强量子计算基础研究，这是量子计算的“源头活水”，围绕量子力学、量子计算的基础理论，实现以“十年磨一剑”为代表作的评价制度，为科研人员营造宽松的考核制度。二是依托已有的大院大所、高水平研究型大学、国家实验室等战略科技力量，聚焦量子计算的前沿理论持续开展基础研究，努力将中国打造成量子计算的原始创新策源地。三是从国家层面设立量子计算专项基金，对科研项目经费实行“包干制”，让科学家根据研究需要自主支配经费，不断完善考核机制，改进急功近利的考核模式。四是优化国家重点研发计划专项，对量子计算的不同技术路线予以支持，多条腿走路。鼓励国内量子计算领军企业联合大院大所组件创新联合体承担国家重点研发项目，针对产业技术问题持续开展核心技术攻关。

（3）始终坚持引进和培育量子计算人才作为引领量子计算发展的首要任务。一是聚焦量子计算世界最前沿研究领域，加大中科大、量子信息科学国家实验室等国内量子科技重大平台的聚才引才力度，引进海内外量子计算领军型团队，打造量子计算世界人才中心。二是实施更加开放、包容的人才政策，完善外国人才服务管理机制，营造“近悦远来、拴心留才”的创新创业人才发展环境。三是围绕量子计算领域，在全国重点高校开设量子计算学科建设，着力培养一大批本土量子计算科学家、工程师，走好新时代量子计算人才自主培养之路。四是不断深化科技人才分类评价改革，完善科研人员考核评价机制，赋予科学家技术路线自主权、科研经费支配权，从而进一步解放科研生产力，激化创新活力。

（4）聚焦经济主战场，营造量子计算技术创新创业环境，促进产学研深度融合，扩大国际合作“朋友圈”。一是营造量子计算技术发展的创新环境，围绕创新链布局产业链，加快产学研融通，实现量子计算科技成果转移转化。二是聚焦量子计算机、量子化学模拟等应用场景，加速量子计算产业化进程，构建以龙头企业为主体，市场应用为导向，科研院所和高校深度融合的技术创新体系，孵化和培育一批科技型中小微企业，形成量子计算产业集群和产业园区。依靠量子计算龙头企业带动示范作用，整合产业链上下游，培育量子计算产业集群，引导产业链上下游的高等学校、科研院所、国家实验室、行业龙头企业、科技金融机构等创新资源协同对接，形成相互支撑的全产业链条。三是鼓励社会资本入驻高校和科研机构设立量子计算产业孵化基金，建立高效的科技成果转化服务体系。四是聚焦国际科技交流合作，积极融入量子计算全球创新网络，扩大国际科技合作“朋友圈，积极参与量子计算产业标准化建设。