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近日，歐洲專利局（European Patent Office, EPO）發(fā)布了與量子技術(shù)相關(guān)的專利洞察報告中的第二份出版物。此次，報告概述了量子計算領(lǐng)域和以下細(xì)分領(lǐng)域的重要專利趨勢：量子計算的物理實(shí)現(xiàn)、量子糾錯/緩解、量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)。
核心觀點(diǎn)概述：
過去十年，量子計算領(lǐng)域的發(fā)明數(shù)量成倍增長
總體而言，增長率高于所有技術(shù)領(lǐng)域
高于國際專利申請的平均份額，表明對所涉技術(shù)和跨國商業(yè)化戰(zhàn)略的經(jīng)濟(jì)期望很高
“量子計算的物理實(shí)現(xiàn)”、“量子糾錯/緩解”和“量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)”子領(lǐng)域的動態(tài)專利趨勢，其中發(fā)明數(shù)量也成倍增加
在量子計算領(lǐng)域，大約有十分之一的歐洲專利申請有幾個專利申請人，這表明他們之間開展了積極的合作。申請專利的人來自各個大洲，他們明確關(guān)注同一地區(qū)或大洲。
圖1 量子領(lǐng)域在不同年份的專利發(fā)明數(shù)量，僅限于國際專利。
此次報告根據(jù)對量子計算領(lǐng)域和選定子行業(yè)的分析結(jié)果，討論了可能的解釋。首先，EPO匯總了量子計算領(lǐng)域的申請趨勢，并將其結(jié)果與所有技術(shù)領(lǐng)域的總體情況進(jìn)行了比較；然后，EPO考察了申請專利保護(hù)的主要管轄區(qū)、活躍申請人和共同申請人的行為，以闡明不同申請人之間和跨國界的合作。
隨后，EPO還考察了以下子領(lǐng)域的情況和分析結(jié)果：量子計算的物理實(shí)現(xiàn)、量子糾錯/緩解/緩解以及量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)。
量子科技專利發(fā)展分析
近年來，量子計算領(lǐng)域的專利申請數(shù)量一直在動態(tài)發(fā)展。
圖2 量子計算領(lǐng)域每個最早出版年份的DOCDB專利族的數(shù)量
圖2顯示了量子計算領(lǐng)域的發(fā)明數(shù)量，由DOCDB專利族（DOCDB專利族是一組與涵蓋相同技術(shù)內(nèi)容的專利申請相關(guān)的專利文件）的最早公布日期近似表示：選擇這個日期是為了表示發(fā)明首次向公眾開放的時刻，可以刺激其他人的研究活動并影響競爭對手的商業(yè)策略。因此，最早的發(fā)表日期對一個技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有根本的重要性。
該圖顯示了過去十年中發(fā)明數(shù)量的急劇增長。這種增長更加引人注目：它遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所有技術(shù)領(lǐng)域中普遍觀察到的發(fā)明數(shù)量增長（圖2中的右側(cè)比例）。圖2還顯示了2000年代發(fā)明數(shù)量的微弱增長。這種影響可能是由有關(guān)量子計算技術(shù)的科學(xué)出版物引發(fā)的，這些出版物在科學(xué)界被認(rèn)為是基礎(chǔ)性的，它提高了經(jīng)濟(jì)預(yù)期并導(dǎo)致有關(guān)這些技術(shù)的專利申請。對這種上升的另一種可能解釋涉及絕熱量子計算領(lǐng)域，該領(lǐng)域在當(dāng)時被認(rèn)為是一種有前途的技術(shù)，并在這一時期導(dǎo)致了一波專利申請。不過，這一浪潮會在幾年后逐漸消失，或者被過去十年中觀察到的與量子計算有關(guān)的發(fā)明數(shù)量的強(qiáng)勁增長所疊加。
圖2還考慮了在單一國家管轄區(qū)和多個管轄區(qū)提交專利申請的專利族。對于后一類專利族，一般認(rèn)為專利申請人對相關(guān)發(fā)明賦予了更大的經(jīng)濟(jì)潛力，而且從地理角度來看，他們傾向于尋求更廣泛的商業(yè)化。因此，EPO選擇將分析的重點(diǎn)放在這類專利族上：它們通常被稱為國際專利族。當(dāng)把量子計算的國際專利族的數(shù)量作為最早公布年份的函數(shù)繪制時，前面描述的動態(tài)變得更加明顯。雖然所有技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明數(shù)量都在持續(xù)增長，但量子計算領(lǐng)域的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均水平（圖3）。此外，沒有跡象表明這一發(fā)展在未來幾年會放緩。
圖3 量子計算領(lǐng)域最早出版年份的發(fā)明數(shù)量，僅限于國際專利系列
仔細(xì)觀察量子計算領(lǐng)域的國際專利族可以發(fā)現(xiàn)，專利族成員在所有專利機(jī)構(gòu)中的分布并不均勻。相反，圖4可以看出，專利申請人把重點(diǎn)放在以下專利申請途徑上：國際申請（WO）、美國申請（US）、日本申請（JP）、歐洲申請（EP）和中國申請（CN）。
圖4 按最早出版年份分列的出版專利當(dāng)局在量子計算領(lǐng)域的備案統(tǒng)計數(shù)據(jù)
歐洲專利申請是一種特殊情況。《歐洲專利公約》（EPC）為在歐洲獲得專利保護(hù)建立了一個單一的申請程序。只需一份專利申請，申請人不僅可以在加入EPC的所有39個締約國保護(hù)其發(fā)明，還可以在一個擴(kuò)展國和四個驗證國保護(hù)其發(fā)明。
圖5 在歐洲專利公約的一個成員國、擴(kuò)展國或驗證國得到驗證和維護(hù)的已授權(quán)EP專利的百分比。該圖顯示了一個國家作為研究和生產(chǎn)地點(diǎn)以及作為量子計算領(lǐng)域的市場的重要性。
圖6顯示了這些專利申請途徑在量子計算發(fā)明所選擇的所有專利申請途徑中的百分比。它說明了過去幾十年來美國專利申請的比例一直很高，反映了美國在量子計算領(lǐng)域的重要性：既是該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，又是這些技術(shù)的重要市常另外值得注意的是，EP申請的份額持續(xù)走高，CN專利申請的份額也在增加。
圖6 量子計算領(lǐng)域的申請統(tǒng)計數(shù)據(jù)
可以看出，近年來，量子計算領(lǐng)域的國際專利申請比例有所上升。更重要的是，如果與所有技術(shù)領(lǐng)域的國際專利申請途徑所占的份額相比，該領(lǐng)域的國際專利申請份額明顯高于平均水平（見圖7）。這一較高的份額可以解釋為專利申請者對有關(guān)技術(shù)的高經(jīng)濟(jì)預(yù)期，以及相應(yīng)的跨國商業(yè)化戰(zhàn)略。
圖7 所有技術(shù)領(lǐng)域的申請統(tǒng)計數(shù)據(jù)
衡量量子計算領(lǐng)域?qū)＠暾埐呗缘膽?zhàn)略方向和成功與否的一個重要指標(biāo)是授權(quán)知識產(chǎn)權(quán)的比例。
圖8顯示了量子計算領(lǐng)域的國際專利族的百分比，其中至少有一項關(guān)于中國、歐洲、日本、美國管轄范圍內(nèi)的授權(quán)專利，或PCT申請導(dǎo)致國家或地區(qū)階段的授權(quán)專利。量子計算領(lǐng)域的情況一般遵循在所有技術(shù)領(lǐng)域觀察到的趨勢，早些年的比例略高，近些年的比例略低。
圖8 量子計算領(lǐng)域的國際專利族中，至少有一項關(guān)于CN、EP、JP、US或PCT申請導(dǎo)致國家或地區(qū)階段的授權(quán)專利的百分比。
量子計算領(lǐng)域最活躍的申請人是公司、企業(yè)，主要來自美國和日本（見表1）。例外情況是少數(shù)美國的大學(xué)和一個與美國大學(xué)保持關(guān)系的非營利組織。最積極的申請者名單以IBM為首，其次是東芝（包括Nuflare Technology）、英特爾和微軟。
表1 量子計算領(lǐng)域最活躍的專利申請人
如果更詳細(xì)地看一下過去幾十年的發(fā)展，情況會變得更加細(xì)微（見表2）。在2000年代，位于加拿大的公司D-Wave系統(tǒng)公司在該領(lǐng)域非�；钴S，其重點(diǎn)是絕熱量子計算。這種活動可能在整個領(lǐng)域引起了一定的勢頭，并吸引了其他申請人（如來自美國和日本）的興趣。在這十年中，只有公司躋身于最活躍的前10名申請人。相比之下，在2010年代，兩所大學(xué)：麻省理工學(xué)院（MIT）和哈佛大學(xué)，在最活躍的專利申請者中引起了關(guān)注，而其余則由大公司主導(dǎo)。
表2 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期間，量子計算領(lǐng)域最活躍的申請人的細(xì)分情況
近年來，美國大學(xué)的份額不斷增加，而其余部分則繼續(xù)由大公司主導(dǎo)。
仔細(xì)觀察量子計算領(lǐng)域的國際專利族可以發(fā)現(xiàn)，這些專利族中的大多數(shù)專利申請都是由一個專利申請人提出的。雖然由一個以上的專利申請人提出專利申請的國際專利族是少數(shù)（大約三分之一），但這些案例特別令人感興趣，因為它們提供了不同公司之間或公司與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)之間合作的跡象，無論是在同一國家還是跨越國界。
為此，EPO仔細(xì)研究了至少包括一個EP專利族成員的國際專利族，因為這些案件有關(guān)于原產(chǎn)地/居住國的可靠信息。鑒于關(guān)于申請人居住國的可靠信息主要可用于EP申請，共同申請人的分析主要集中在這類申請上。
在量子計算領(lǐng)域的13000多個國際專利族中，有6000多個專利族至少有1個EP族成員。在這些專利族中，有500多個專利族有1個以上的專利申請人。這相當(dāng)于大約十分之一的份額。對這些有聯(lián)合專利申請的專利族中的申請人的居住國進(jìn)行更仔細(xì)的分析表明，專利申請人來自各大洲，明顯傾向于與地理上相對接近的專利申請人進(jìn)行聯(lián)合專利申請，即來自同一區(qū)域結(jié)構(gòu)或來自同一大洲。例如，在有聯(lián)合專利申請的專利族中，約有三分之二的專利申請者位于歐洲專利公約的一個締約國，其第二申請人也來自這些國家之一（見圖9）。在申請人來自歐洲專利公約國家的聯(lián)合專利族中，約有四分之一的專利族有來自北美的第二申請人。這些結(jié)果表明，同一地區(qū)內(nèi)的合作相對密切，而不同大洲的申請人之間的合作較弱。對聯(lián)合專利申請中提到的發(fā)明人的原籍/居住國的分析也得出了類似的結(jié)果（見圖10）。
圖9 量子計算領(lǐng)域的共同申請人模式，針對至少有一個EP專利族成員的國際專利族：關(guān)于居住國的細(xì)分
圖10 量子計算領(lǐng)域的共同發(fā)明人模式，針對至少有一個EP專利族成員的國際專利族：關(guān)于居住國的細(xì)分
跨國合作不僅可以在地理層面上觀察到，而且還可以在不同的部門之間觀察到，專利申請人可以根據(jù)其性質(zhì)被分配到公司、大學(xué)等部門。圖11顯示了聯(lián)合專利申請在原產(chǎn)地/居住國方面的分析結(jié)果，根據(jù)位于歐洲的專利申請人的部門分配進(jìn)一步細(xì)分。它表明，來自一個部門的歐洲申請人傾向于與同一部門的其他歐洲專利申請人更頻繁地合作。然而，也有與來自其他部門的歐洲專利申請者的合作。
圖11 量子計算領(lǐng)域的共同申請人模式，適用于至少有一個EP專利族成員的國際專利族。根據(jù)來自EPC國家的申請人的部門分配，對原籍國/居住國的進(jìn)一步細(xì)分
1）核心子領(lǐng)域：量子計算的物理實(shí)現(xiàn)
在過去幾十年中，量子計算領(lǐng)域所觀察到的專利族數(shù)量的強(qiáng)勁增長也顯示在量子計算的物理實(shí)現(xiàn)子領(lǐng)域中，2000年代的上升幅度較小，而在過去十年中則有非常明顯的增長。這個子領(lǐng)域的發(fā)展也明顯高于在所有技術(shù)領(lǐng)域可以觀察到的趨勢（圖12）。
圖12 每個最早公布年份與量子計算的物理實(shí)現(xiàn)有關(guān)的發(fā)明數(shù)量
圖12（右圖）還顯示了與量子計算的物理實(shí)現(xiàn)有關(guān)的國際專利族在量子計算領(lǐng)域所有國際專利族中的份額。與量子計算物理實(shí)現(xiàn)相關(guān)的發(fā)明在2000年上述小高潮期間占整個領(lǐng)域所有發(fā)明的比例上升到20%以上，當(dāng)這一波浪潮結(jié)束時，下降到約十分之一，在過去十年中又穩(wěn)定地上升到約20%。
對量子計算物理實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域的國際專利族成員的考察表明，與整個量子計算領(lǐng)域類似，專利申請人主要通過以下申請途徑提交專利申請：國際申請、美國申請、日本申請、歐洲申請和中國申請（見圖13）。圖13反映了美國專利申請在該領(lǐng)域的國際專利族中的比例一直很高，這與美國作為重要的專利申請人的居住國以及作為量子計算的物理實(shí)現(xiàn)的市場的重要性相對應(yīng)。
圖13 與量子計算的物理實(shí)現(xiàn)有關(guān)的申請統(tǒng)計數(shù)字
圖14 在量子計算的物理實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域，至少有一項關(guān)于CN、EP、JP、US或PCT申請的授權(quán)專利在國家或地區(qū)階段獲得授權(quán)的國際專利家族的百分比
圖14顯示了量子計算物理實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域的國際專利家族的百分比，其中至少有一項關(guān)于CN、EP、JP、US或PCT申請的授權(quán)專利在國家或地區(qū)階段。與整個量子計算領(lǐng)域類似，量子計算的物理實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域的情況基本上遵循了在所有技術(shù)領(lǐng)域觀察到的趨勢，早些年的比例更高。早年的分散和部分稀疏的過程可以用該時期該領(lǐng)域的發(fā)明數(shù)量相當(dāng)少來解釋。
表3 與量子計算的物理實(shí)現(xiàn)有關(guān)的最活躍的申請人
表4 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期間，與量子計算的物理實(shí)現(xiàn)有關(guān)的最活躍申請人的細(xì)分情況
美國在該領(lǐng)域的突出地位也體現(xiàn)在對最活躍的專利申請者的分析中（表3）。IBM位居榜首，其次是其他美國公司。來自加拿大、日本、中國和澳大利亞的公司也是最活躍的專利申請者之一。一些美國大學(xué)，特別是麻省理工學(xué)院和耶魯大學(xué)，也發(fā)揮了一些重要作用。
對不同時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析表明，美國專利申請人在最近幾十年中發(fā)揮了越來越突出的作用（見表4）。在2000年，即第一次上升期，最活躍的專利申請者名單中，來自加拿大、美國、日本和澳大利亞的公司居首。在隨后的幾年里，情況發(fā)生了變化，有利于美國申請人。
2）核心子領(lǐng)域：量子糾錯/緩解技術(shù)
與量子計算的物理實(shí)現(xiàn)子領(lǐng)域類似，并且在某種程度上與技術(shù)相關(guān)，量子糾錯/緩解子領(lǐng)域的發(fā)展也非�；钴S。在2000年代有微弱的上升，在過去十年有非常強(qiáng)勁的增長（圖15）。該子領(lǐng)域的發(fā)明相對于整個量子計算領(lǐng)域的份額，在審議期間基本持續(xù)發(fā)展（圖15，右側(cè)比例）。
圖15 每個最早出版年份與量子糾錯/緩解有關(guān)的發(fā)明數(shù)量
最活躍的專利申請者名單再次以IBM為首，其次是來自美國、日本、加拿大和韓國的其他申請人（見表5）。仔細(xì)觀察一段時間的發(fā)展就會發(fā)現(xiàn)，與量子計算的物理實(shí)現(xiàn)子領(lǐng)域類似，總部設(shè)在美國的公司在最近一年中發(fā)揮了越來越突出的作用，而在2000年代，即第一個上升期，最活躍的專利申請者名單在來源方面明顯更加多樣化（表6）。
表5 與量子糾錯/緩解有關(guān)的最活躍的申請人
表6 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期間，與量子糾錯/緩解有關(guān)的最活躍申請人明細(xì)表
3）核心子領(lǐng)域：量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)
量子并行已經(jīng)證明，量子計算特別適合于實(shí)現(xiàn)人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）技術(shù)。例如，圖形模型（如生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和基于自旋的模型（如Ising或Pott模型）之間的等價性在統(tǒng)計物理學(xué)中早已為人所知，并有充分的證據(jù)，這種類比導(dǎo)致了QC對AI/ML更深入、更直接的適應(yīng)。
在科學(xué)和專利文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了各種各樣的解決方案，盡管這種創(chuàng)新處于兩種新興技術(shù)的最邊緣。由于QC通常涉及“混合”系統(tǒng)，包括量子和經(jīng)典組件，這些解決方案可以在經(jīng)典或量子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)或AI/ML模型（或其訓(xùn)練，如果適用）。這也適用于一般的量子優(yōu)化（如量子退火，變分量子特征求解器（VQEs）或QAOA），特別適合解決人工智能/ML問題。
圖16 量子AI/ML解決方案：量子生成對抗網(wǎng)絡(luò)（QGAN）、量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（QNN）、量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)(QRL)、量子近似優(yōu)化算法(QAOA)
AI/ML技術(shù)的另一個堅實(shí)的開端是在QC相關(guān)的數(shù)據(jù)、參數(shù)或變量上的應(yīng)用，由于其獨(dú)立于應(yīng)用的性質(zhì)，預(yù)計將在其他領(lǐng)域取得類似的成功。
量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)子領(lǐng)域與其他被考察的子領(lǐng)域以及整個量子計算領(lǐng)域有明顯的不同。雖然該子行業(yè)在2000年代可以觀察到專利申請的最初、最低限度的上升，但實(shí)際的動態(tài)發(fā)展在過去十年才開始（圖16）。值得注意的是，該子行業(yè)的勢頭甚至高于其他子行業(yè)或整個量子計算領(lǐng)域。在這種遠(yuǎn)高于平均水平的勢頭下，該子領(lǐng)域的發(fā)明與整個領(lǐng)域相比的份額也在上升，目前約為15%。
圖17 每個最早出版年份與量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)有關(guān)的發(fā)明數(shù)量
與所考慮的其他分部門一樣，IBM在最活躍的專利申請者名單中居首，其次是日本、美國、歐洲、加拿大和中國的專利申請者（表7）。與所考察的其他子行業(yè)（近年來總部設(shè)在美國的公司在其中發(fā)揮著越來越突出的作用）相比，量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)子行業(yè)中最活躍的專利申請人的來源國的多樣性在過去十年中顯然更高（表8）。
表7 與量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的最活躍的申請人
表8 2000-2009年、2010-2019年和2020-2021年期間，與量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的最活躍的申請人的細(xì)分情況
總結(jié)與展望
這項研究表明，雖然專利申請數(shù)量仍然相當(dāng)?shù)�，但量子計算領(lǐng)域的勢頭非常高，相對于所有技術(shù)領(lǐng)域的專利申請數(shù)量的普遍增長而言，明顯高于平均水平。
這項研究特別關(guān)注“量子計算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)”、“量子糾錯/緩解”和“量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)”等子行業(yè)。雖然這三個子行業(yè)在專利申請數(shù)量上都有很高的勢頭（與整個量子計算相似），但“量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)”子行業(yè)的特點(diǎn)是擁有更強(qiáng)的發(fā)展動力。
雖然在整個領(lǐng)域和子領(lǐng)域中最活躍的專利申請者名單中，IBM和其他美國公司近年來發(fā)揮著越來越突出的作用，但在“量子計算和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)”子領(lǐng)域中，來源的多樣性仍然很高。
未來，EPO表示，將更新本報告并仔細(xì)研究量子計算領(lǐng)域的其他子行業(yè)將如何發(fā)展和多樣化。
報告全文：
https://documents.epo.org/projects/babylon/eponet.nsf/0/C90EC0C5EC8606BAC125894000576377/$File/epo_patent_insight_report-quantum_computing_en.pdf
