2021年世界量子信息技术科研及产业化研究

2021年世界量子信息技术科研及产业化研究

一、引言

在当前欧美等发达国家纷纷启动量子信息国家战略背景下，量子信息技术已成为全球最热的科技竞争焦点之一。美国、中国、日本、加拿大及欧洲等国家和地区在加快量子信息技术基础研究和应用研

发过程中，愈发重视创新成果的保护和运用。近5年来，量子信息科研产出和技术专利大量涌现。本文在对最新的量子信息领域专利申请和科研论文趋势进行分析的基础上，为量子信息技术和产业发展提供参考。

二、量子信息领域科研成果

通过对超过4 万篇量子信息技术论文进行统计，按照Web of Science学科分类，发现论文主要分布在物理学、光学、工程等领域，同时与计算科学、化学、数学等领域也有较多关联[2]。其中，物理学（多学科）占16.13%、光学占14.90%、物理（应用）占11.79%、物理（原子、分子与化学）占 9.51%、工程（电气与电子）占6.65%。另外，全球发文量排前20名的期刊汇聚了超过45%的量子信息相关科研论文，分布较集中。

量子信息作为数学、信息学、物理学及计算机科学等学科的交叉前沿领域，经过论文筛选和关键词聚类分析发现，关键词关系图呈现出3个主要的聚簇。

第一个聚簇主要围绕量子物理实现技术，包括超导（Superconductivity）、NV色心（Color Center）、硅量子点（Silicon Quantum Dots）等。

第二个聚簇主要围绕量子加密和通信技术，包括量子密钥分发（Quantum Key Distribution）、量子隐形传态（Quantum Teleportation）、安全直接通信（Secure Direct Communication）、单光子探测器（Single Photon Detector）、量子克隆（Quantum Cloning）等。

第三个聚簇主要围绕量子计算和量子信息学技术，包括量子算法（Quantum Algorithm）、搜索算法（Search Algorithm）、神经网络（Neural Networks）、深度学习算法（Deep Learning Algorithms）、纠错算法（Error Correction）、量子图像处理（Quantum Image Processing）等，在第二个和第三个聚簇交汇处出现量子测量领域相关技术。

此外，量子退火（Quantum Annealing）、粒子群优化（Particle Swarm Optimization）、可逆逻辑（Reversible Logic）、单光子探测器（Single Photon Detector）等关键词位于词云的边缘，与量子计算和量子密码学关系比较紧密，与其他主题的关系较弱。

随着人们对量子信息技术的兴趣日益高涨，对最近3年新增关键词词频进行统计发现，科研方向出现了一些新的关注点，如量子霸权（Supremacy）、量子区块链（Block Chain）、量子发射器（Quantum Emitters）、分布稳健（Distribution Robust）、几何自旋（Geometric

Spin）、二维量子材料（Two-Dimensional Materials）、片上量子（On-chip）、量子纳米光子学（Quantum Nano Photonics）等。除量子霸权外，这些新增关键词都是以理论研究为主，如有科学家认为利用跨时间的量子纠缠在未来的量子网络中实现高度安全的量子区块链是值得提倡的。

量子信息技术各领域论文年度发文量及国家排序如图1所示。量子计算、量子通信、量子测量领域科研论文发文量持续上升。

图1 量子信息技术各领域论文年度发文量及国家排序（来源：中国信息通信研究院知识产权中心）

（1）量子计算上升趋势最明显，来自美国科研机构和企业的论文数量超过8000 篇，位列第一；中国紧随其后，超过4000 篇；其次是德国、日本、英国、加拿大、法国、澳大利亚、

印度等，这些国家是量子计算原始技术创新的主要来源。

（2）在量子保密通信应用持续探索的同时，量子通信领域论文量也在持续攀升，其中量子密钥分发（QKD）技术研究从理论探索开始走向实用化，论文数量持续上升；量子隐形传态（QT）的论文近年来相对保持平稳，与其关键技术瓶颈仍未取得突破有一定关系。从国家分布来看，中国科研机构论文量位列第一，超过4000 篇，其次是美国、日本、德国、英国、加拿大、意大利、澳大利亚等。国内量子通信领域科研机构已经形成梯队，在全球发文量前25家中有10家是中国高校或科研单位。滑铁卢大学、新加坡国立大学、麻省理工学院、多伦多大学、日内瓦大学等也有较多研究成果发布。

（3）量子测量论文量超过4000 篇，美国科研机构发文量位列第一，中国、德国、日本、英国紧随其后。

纵观量子信息技术论文合作情况，欧美的科研范式以集团军式的联合研究为主，织密国家之间的科研合作网络，联合攻关项目，强化技术同盟的路线选择（见图2）。

图2 量子信息技术各领域科研论文合作关系网（来源：中

国信息通信研究院知识产权中心）

在量子计算领域，美国与德国、加拿大等国在量子计算领域深化合作趋势明显，我国的中国科学院、中国科学技术大学、清华大学加快科研攻关，已位列全球量子计算发文量的前20 名，其余机构主要来自美国、英国、日本、新加坡、澳大利亚等国家。

在量子通信领域，中国已经成为技术的引领者之一，并积极推动与加拿大、意大利及非洲等国家和地区的国际合作。

在量子测量领域，美国加州理工学院、德国苏黎世联邦理工有较多论文，我国的中国科学院、中国科学技术大学等科研单位在量子精密测量领域持续开展科研攻关，并开始步入量子测量论文发表数量的国际前沿行列。

三、量子信息技术产业化进展

量子计算、量子通信、量子测量领域的专利竞争态势加剧[3-4]。近10年来，中国产学研机构在量子计算领域申请的专利量逐步赶超日本和加拿大（见图3）。基于专利分析技术生命周期发现该领域新增专利和新进入者均持续上升，技术尚处于成长期（见图4）。预计未来5年，新的专利将大量涌现。由于专利具有地域性，从目标市场国/区域来看，截止到2020年9月底，47%的专利布局在美国，中国也以其庞大的市场吸引了除本土申请人之外的来自美国、日本、欧盟的“玩家”。从创新机构类型来看，我国国内高校和科研院所的专利申请占40%，而美国、加拿大的公司专利申请更活跃，随着近年来我