量子通信中的探測技術專利分析

呂淼?王剛

摘 要：通過對量子通信中的探測技術進行專利分析，梳理該技術領域專利申請的發展趨勢和主要申請地域，并對在華申請情況進行重點分析，從申請趨勢、主要申請人、重點專利等方面進行闡述，從專利數據中挖掘研發實體能夠得到的相關啟示。

關鍵詞：量子通信;探測;專利;技術分析

中圖分類號：TN918;G306 文獻標識碼：A 文章編號：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學與信息科學融合的新興交叉學科，它的誕生標志著人類社會將從經典技術邁進到量子技術的新時代[1]。量子通信技術是量子信息領域的重要分支，量子通信最重要的兩個應用是量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，QKD）和量子隱形傳態。量子密鑰分發和量子隱形傳態的關鍵技術均包括單光子探測器[2]。目前，量子密鑰分發系統的檢測采用單光子探測器。單光子探測器包括紅外單光子探測器、門控型單光子探測器、上轉換單光子探測器和超導單光子探測器等類型[3-5]。為了適應極弱光探測的需要，如何降低探測器的溫度來提高探測器的性能是研究的熱點;在探測器的結構設計上，如何減小探測器體積、降低接線和安裝復雜度、降低維護成本是研究的熱點;為了避免攻擊者直接攻擊并控制攜帶信息的單光子探測器，如何對攻擊進行檢測和保護是單光子探測器的另一個研究重點。

1 全球專利分析

對全球的量子通信探測技術專利申請情況進行分析，在檢索系統中對該技術進行檢索，獲得該技術在全球的專利申請趨勢，如圖1所示。

2000年以前探測技術的專利申請量很少，在2000年后申請量開始快速增長;2000—2010年申請量進入穩定期，每年均有一定量的申請，但申請量均未超過20件;2011年至今進入飛速增長期，至2019年達到近70件的年申請量;2020年和2021年申請量有所下降，可能與部分申請尚未公開有關。可見，檢測技術經過前期的逐步發展進入目前的快速發展期。實際上，在2010年后，歐盟、美國和中國都相繼推出了量子技術的發展規劃，均對量子技術給予了高度重視，促進了相關產業的快速發展。

對探測技術的全球專利原創區域進行分析，可以得出該技術主要由哪些區域的申請人進行專利申請。如圖2所示，探測技術的全球專利原創區域大部分在中國，占65%;其次是美國，占15%;日本排名第三，為11%，領先于歐洲和韓國;其他所有區域占比僅為1%?？梢姡袊谠摷夹g領域的專利申請中占有絕對優勢。

2 在華專利分析

經過近40年的積累，我國在量子通信領域已經實現全球領跑，并且有望擴大這一優勢。

圖3是涉及量子通信中檢測技術的在華專利申請量逐年分布趨勢圖。從圖3可以看出，檢測技術2000年以前在華沒有專利申請，2002年開始有零星的專利申請，2014年開始進入快速增長期，2019年達到最高申請量（近60件），2020年和2021年申請量有所下降，與部分申請尚未公開有關。

如圖4所示，量子信息技術在華專利申請中，前10名申請人均為來自中國的創新主體，其中包括啟科量子、科大國盾、中創為南京和問天量子4家以量子技術為核心的公司，南京大學、中國科技大學、清華大學和華南師范大學4所高校以及上海微系統所和濟南量子研究院2所研究機構也展示了中國在量子信息領域的強大實力?？拼髧芎蛦柼炝孔拥膭撌紙F隊正是來自中國科技大學。

量子通信中的探測技術分為單光子探測器設計、溫度控制、器件封裝及攻擊保護等幾個方面。單光子探測器設計包括紅外單光子探測器、門控型單光子探測器、上轉換單光子探測器和超導單光子探測器等，分別選取幾種單光子探測器的典型專利進行說明。

中國科學技術大學于2017年申請了《一種雪崩信號甄別方法和裝置、紅外單光子探測器》（CN106940221A），公開了一種雪崩信號甄別方法和裝置以及紅外單光子探測器。所述雪崩信號甄別方法通過對濾波器輸出濾波后的雪崩信號進行寬度甄別，預設脈沖寬度閾值，通過比較將小于或等于脈沖寬度閾值的信號保留，大于脈沖寬度閾值的信號剔除。在保持探測效率基本不變的情況下，極大地降低了后脈沖出現概率，從而獲得具有極低后脈沖概率的高速紅外單光子探測器。

國開啟科量子技術有限公司在2021年申請的《高速正弦門控單光子探測器》（CN113405677A）中公開了一種高速正弦門控單光子探測器，涉及雪崩脈沖電信號探測技術領域，包括探測電路和參考電路。高速正弦門控單光子探測器能夠從探測電路產生的噪聲信號中提取雪崩脈沖電信號，探測電路與參考電路為并聯關系，能夠有效保證信號完整性，提高了信噪比。

濟南量子技術研究院于2021年申請了《一種級聯PPLN波導結構及高效的上轉換單光子探測器》（CN213843583U），公開了一種級聯PPLN波導結構及利用該波導結構實現的高效的上轉換單光子探測器。該級聯PPLN波導結構可以包括第一級波導結構和第二級波導結構。借助這種級聯PPLN波導結構，可以以簡單緊湊的結構在硅探測器的高探測效率區域高效探測信號光。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所于2021年申請了《微納光纖-波導-超導納米線單光子探測器及制備方法》（CN113204075A），提供一種微納光纖-波導-超導納米線單光子探測器及制備方法。固定于V形槽的微納光纖可以和波導實現高精度的光耦合對準，并使微納光纖由粗變細的過渡段懸空，防止光向襯底的泄露，進而減少光傳輸過程的損耗。波導型超導納米線結構可以在片上實現對光的完全吸收。彎角波導設計可使微納光纖-波導的光耦合區域和波導型超導納米線結構的光探測區域完全分離開，可有效減少沿光纖傳播的背景輻射導致的暗計數，降低背景暗計數對光探測的影響。

單光子探測器通常采用雪崩光電二極管，而應用于單光子探測器的雪崩光電二極管需要在-50～-40 ℃的低溫下工作。北京中創為南京量子通信技術有限公司于2020年申請了《一種單光子探測器及其制冷保溫裝置》（CN210719421U），公開了一種單光子探測器及其制冷保溫裝置。制冷保溫裝置包括固定模塊、半導體制冷器、壓板、保溫殼體、保溫殼蓋、第一密封圈、第二密封圈以及散熱器。本專利制冷保溫裝置制冷和保溫效果好、體積小。

量子通信領域使用的單光子探測器的殼體是制冷盒，其結構內部一般要求做氣密處理。如何進行合理封裝來保證氣密性也是一個研究重點。北京中創為南京量子通信技術有限公司于2019年申請了《一種單光子探測器殼體封膠固化工裝》（CN209131844U），公開了一種單光子探測器殼體封膠固化工裝，包括固定連接在一起構成框式結構的側支撐板、底面支撐板和兩個端面支撐板。側支撐板、底面支撐板和兩個端面支撐板均與水平面垂直設置，框式結構內固定設有與水平面平行的底板，側支撐板和底面支撐板間隔設置，兩個端面支撐板間隔設置，側支撐板上邊緣設有高于底板的擋沿。本專利的工裝能對探測器殼體下部的移動進行限定，避免光纖與其他物件干涉。

科大國盾量子技術股份有限公司于2020年申請了《一種集成化單光子探測器組件》（CN112097899A），公開了一種集成化單光子探測器組件，包括基板和溫控芯片以及多功能集成芯片。溫控芯片包括TEC芯片，多功能集成芯片集成窄脈沖處理模塊、雪崩信號甄別模塊和雪崩信號符合模塊，置于TEC芯片上方。窄脈沖處理模塊與雪崩信號符合模塊連接，雪崩信號符合模塊與雪崩信號甄別模塊連接。本發明具有電路所占空間小、生產制造難度小以及節約成本的優點。

隨著量子密鑰通信的不斷進步，攻擊方案也越來越多，如何對攻擊進行檢測和保護是單光子探測器的一個研究重點。

安徽問天量子科技股份有限公司于2018年申請了《單光子探測器探測致盲攻擊的監測裝置與方法》（CN107689829A），公開了一種單光子探測器探測致盲攻擊的監測裝置。溫度監測模塊用于監測單光子探測器光敏元件的工作溫度;電壓監測模塊用于監測單光子探測器光敏元件的工作電壓和甄別閾值電壓;電流監測模塊用于監測流過單光子探測器光敏元件的光電流;光電流可通過電流表進行監測，也可以通過對串聯電阻進行電壓采樣進行監測;參數監測模塊用于將實時指標數據與參考指標數據進行比較，以實現監測。本發明可有效監測目前已知的各種致盲攻擊方案，發現致盲攻擊后可進行報警、終止密鑰分配，保障QKD系統的安全。

國開啟科量子技術有限公司于2020年申請了《單光子探測器強光攻擊檢測與保護電路方法及裝置》（CN112104427A）。本發明提供單光子探測器強光攻擊檢測與保護電路方法及裝置，通過比較的方式實現對強光攻擊的有效判定，無須根據傳感器數據計算APD偏流值，通過增設反饋鏈路能夠根據光纖鏈路距離變化自適應調整參考電壓，從而保持對強光攻擊的有效檢測，避免漏檢測導致密鑰信號被竊取。

3 結語

探測技術作為量子通信的關鍵技術，中國在該技術申請量上遙遙領先，超過了全球其他區域申請量的總和。該技術領域的主要在華申請人均為中國申請人，既有高校研究所，也有啟科量子、科大國盾、中創為南京和問天量子等以量子技術為核心的公司，表明我國在該領域既有前沿研究，也有一定的產業化。中國的量子通信企業要抓住發展機遇，強化知識產權保護，加強專利的海外布局，加深與研究機構的合作，保持優勢，不斷提升技術競爭力。

參考文獻：

[1]蔡笑天，楊洋.我國量子通信產業化的發展趨勢及實踐思考[J].全球科技經濟瞭望，2019（4）：26-32.

[2]秦曉娟，史信榮，王金東，等.單光子探測器性能對量子密鑰分發系統的影響[J].強激光與粒子束，2010（7）：1661-1664.

[3]尤立星，張臘寶，史生才，等.高性能單光子探測技術研究進展[J].中國基礎科學，2020（1）：25-29.

[4]白鵬，張月蘅，沈文忠.半導體上轉換單光子探測技術研究進展[J].物理學報，2018（22）：63-78.

[5]尤立星.超導納米線單光子探測現狀與展望[J].紅外與激光工程，2018（12）：9-14.