基于專利計量的全球量子信息技術發展態勢研究

江 瑤，陳 旭，張凌愷

（1．上海工程技術大學管理學院，上海 201620；2．上海應用技術大學經濟與管理學院，上海 201418）

0 引言

作為當今世界科技的前沿領域之一，量子信息技術以微觀世界的粒子為操控對象［1］，實現信息感知、計算和傳輸的全新信息處理方式，從而突破經典信息技術的限制，為保障國家安全和支撐國民經濟高質量發展提供戰略核心力量。為此，各國紛紛出臺了一系列專項支持政策，從項目、資金和人才等方面確保在未來量子信息技術競爭中獲得優勢。例如，美國先后制定了《量子信息科學和技術發展規劃》《國家量子信息科學戰略總覽》《國家量子計劃法案》《量子信息科技人才培養國家戰略規劃》等戰略性文件，形成了以美國政府為領導核心、以國家量子科技研究所為發展支點、業界和學界協同推進的新型量子信息技術發展模式。中國也同樣提前布局，早在2006 年“量子調控研究”就被列為科技部重大科學研究計劃。隨后，《“十三五”國家科技創新規劃》《關于全面加強基礎科學研究的若干意見》等文件均提出，要加快實施量子通信與量子計算機項目。“十四五”規劃進一步對發展量子信息技術做出了明確部署。由此可見，發展量子信息技術已成為全球各國布局前沿科技領域的焦點［2-3］，是強化國家戰略科技力量的重要方向之一［4］。

基于此，全面了解全球量子信息技術的發展態勢，明確中國在該領域的突出優勢及短板，對推動中國量子信息產業高質量發展具有重要意義［5］?，F有研究主要是從宏觀層面比較各國在量子信息領域的政策部署［6］，而基于專利計量對全球量子信息技術發展態勢進行實證分析的相對較少［7］。并且，這些實證分析多聚焦于量子信息技術的研究熱點，缺少對國家間技術合作情況的分析。因此，本文從“整體趨勢—空間布局—合作創新”3 個維度構建技術態勢分析框架，并結合相關專利數據，對全球量子信息技術發展現狀進行系統的實證分析。相較于已有文獻，本研究不僅豐富了對量子信息技術發展態勢的實證分析成果，也為后續學者開展專利視域下的技術分析提供了參考框架。

1 研究設計

本文從整體趨勢、空間布局以及合作創新等3 個維度，構建全球量子信息技術發展態勢的分析框架，具體如圖1所示。

1．1 數據來源

本文以量子信息技術領域的全球專利數據為研究樣本，具體的采集過程如下。

首先，本文基于IncoPat專利數據庫采集量子信息技術領域的全球專利數據。選擇IncoPat 專利數據庫的原因在于，其收錄了全球120個國家、地區或組織的1 億多件基礎專利數據，可檢索的字段有260多個，數據字段完整，且集成了專利檢索、專題庫、分析和監視預警等多個功能模塊，能提供及時、全面、準確的專利情報［8］。

其次，為全面、準確地遴選量子信息技術的關鍵檢索詞，本文參考了中國信息通信研究院發布的《量子信息技術發展與應用研究報告（2022年）》。該報告指出，量子信息技術是以量子力學原理為基礎，通過對微觀量子系統中物理狀態的制備、調控和觀測，實現信息感知、計算和傳輸的全新信息處理方式的技術，包括量子計算、量子通信和量子測量等三大技術領域?；诖耍瑫r結合相關學者的研究［7，9］，確定專利標題及摘要的檢索詞為“Quantum Information”“Quantum Computer”“Quantum Algorithm”“Quantum Coding”“Quantum Communication”“Quantum Teleportation”“Quantum Key Distribution”“Quantum Measurement”“Quantum Target Recognition”“Quantum Positioning Navigation”等共計22個。

最后，本文將專利檢索時間范圍限定為2000年1月1日至2022年12月31日，專利類型選擇發明申請，共檢索到26 989 條量子信息技術領域的初始專利數據。由于量子信息技術主要涉及物理和電學，本文借鑒沙銳等［10］（2021）的做法，將IPC 分類號設定為G 部與H 部。在剔除重復數據、核心指標缺失數據后，共得到21 603 條有效專利數據，構成本文后續分析的專利數據樣本。

1．2 研究方法

本文采用專利計量分析法和社會網絡分析法，對全球量子信息技術的發展進行系統分析。首先，采用專利計量分析法，從專利申請數量和技術構成兩個維度，揭示國內外量子信息技術領域專利的整體發展趨勢。其次，分別從技術流出、技術流入以及技術流出—流入交互視角，展現全球量子信息技術的流向，并進一步分析高被引專利在全球各區域的分布情況。最后，采用社會網絡分析法，結合Bicomb和Gephi軟件，對不同國家或地區之間的合作創新網絡進行分析。

2 實證研究

2．1 整體趨勢

2．1．1 專利申請數量

專利申請數量的動態變化可以直觀反映該領域的技術發展狀況。圖2展示了2000—2022年全球量子信息技術領域專利申請量的變化趨勢。根據圖2的結果可知，全球量子信息技術領域的專利申請大致可分為兩個階段。第一階段：平穩發展期。2000—2015年為量子信息技術的平穩發展期，雖然期間部分年份的專利申請數量有所回落，但并不影響整體的上漲趨勢。第二階段：迅猛增長期。2016—2022年為量子信息技術的迅猛增長期，自2016年專利申請數量首次突破1 000件后，相關專利申請數量保持著穩定的增長態勢，2019年起專利申請數量更是超過了2 000件。

圖2 2000—2022年全球量子信息技術領域專利申請情況

2．1．2 技術構成

在式（4）中，為貿易互補性指數，為a國i產品的比較優勢，為b國i產品比較劣勢，為a國i產品的出口額，Xa為a國的出口總額為世界i產品的出口額，Xw為世界出口總額，為b國i產品的進口額，為b國的進口總額。兩國的綜合貿易互補指數可以用各產業貿易所占比重進行加權平均，加權系數為世界貿易中各類產品的貿易比重，即。計算公式如下：

為揭示全球量子信息技術的構成和研發格局，本文依據IPC 主分類號劃分相關專利所涉及的技術領域，具體如圖3 所示。該領域專利所屬的技術領域展示出相當高的集中度。H部主要集中在H04L（量子通信和量子密鑰分發技術）、H01L（量子器件的相關半導體技術）、H04B（量子通信設備或系統）等領域。其中，H04L 的專利申請量為4 483 件，占量子信息技術領域專利總申請量的20．8%。G 部主要集中在G06N（量子計算系統或方法）、G06F（量子編程、模擬或算法技術）、G01N（量子態測量與分析方法）等領域。其中，G06N 的專利申請量為3 287 件，占量子信息技術領域專利總申請量的15．2%。

圖3 全球量子信息技術的構成

進一步地，本文結合Bradford 定律，分析全球量子信息技術的分散化規律。該定律最初由英國文獻學家Bradford 于1948 年提出，之后被廣泛應用于情報信息集中與分散規律的研究［11］。借鑒該方法，本文按照每個區域包含相同數量專利的原則，將量子信息技術領域的專利劃分至核心區、相關區和邊緣區，如表1所示。對于跨區域的技術領域，以包含該領域的專利數量較多的為準［12］。

表1 全球量子信息技術分區

根據表1 的結果可知，位于核心區的技術領域僅有H04L 和H01L，占比達到40．87%，所涉及的量子通信、量子密鑰分發、量子器件的相關半導體技術等是量子信息主要布局的技術領域。位于相關區的技術領域有4 個，分別為G06N、G06F、G01N和H04B，占比約為33．99%，所涉及的技術領域主要包括量子計算、量子算法、量子通信系統等。位于邊緣區的其他技術領域的專利數量之和，占比只有25．14%。這些技術領域的專利涉及主題較多。例如，H01S類目的專利涉及量子點激光器技術，G01R 類目的專利涉及量子測量、傳感或檢測技術，G02F 類目的專利涉及量子光學器件及技術等。

2．2 空間布局

2．2．1 技術流向

就技術流出視角而言，不同國家或地區的專利申請數量，在一定程度上可以反映其技術研發創新實力。對全球量子信息技術領域的21 603件有效專利進行分析發現，申請人來自65個國家或地區；專利申請的地域布局較為集中，申請數量占比超過1%的國家或地區只有7 個。具體如圖4 所示，連線代表了不同地域申請人合作申請專利的情況。

圖4 全球量子信息技術領域專利申請分布

根據圖4 的結果可知，中國的專利申請數量排名第一，占全球總量的比重高達52．54%，大幅超過了其他國家或地區。中國在全球量子信息技術領域具有較強的研發實力。美國位列第二名，專利申請數量占比22．82%，雖與中國存在一定差距，但遠遠高于其他國家或地區。這意味著美國也是全球量子信息技術領域重要的研發中心。除了中國和美國之外，其他專利申請數量占比超過1%的國家或地區依次為日本（9．94%）、韓國（4．57%）、英國（3．66%）、德國（3．13%）、加拿大（2．32%）等；其余58 個國家或地區的專利申請分布較為分散，總和占比只有1．03%。除此之外，圖4 的連線情況顯示，中國量子信息技術領域的專利申請人的跨地域合作較少，相關專利僅有41件，合作對象主要來自美國、英國、德國、俄羅斯等。與之不同的是，美國有234件專利為跨地域合作研發專利，合作對象分布也十分廣泛，包括英國、德國、日本、中國、加拿大、荷蘭、瑞士等。相對而言，美國在合作研發量子信息技術方面的表現更為突出，從而可以充分地利用和整合全球量子產業的資源優勢，借助開放的市場力量加快創新速度，最終形成自身的競爭優勢和核心競爭力。

從技術流入視角來看，創新主體往往傾向于在具有一定市場需求和應用場景的國家、地區或組織公開專利。本文按照21 603 件有效專利的公開國家或地區進行分類，發現這些專利主要在47 個國家或地區公開，流入專利占比超過1%的國家或組織共11個，具體如圖5所示。

圖5 全球量子信息技術領域專利公開分布

綜合技術流出和技術流入視角，本文繪制了全球量子信息技術領域專利申請與公開的流向圖，如圖6 所示。在圖6 中，左側為專利申請人國別或所在地區，右側為專利公開國別或組織，以各分支流量的變化反映專利數量變化。

圖6 全球量子信息技術領域專利申請—公開流向

根據圖6的結果可知，在量子信息技術領域，既有一大部分申請人傾向于在本國申請專利，也存在相當一部分申請人會流向他國或組織進行專利申請。對于專利申請數量表現突出的中國和美國而言，中國的專利申請人更傾向于在本國申請專利，在其他國家或組織公開的專利數量較少；而美國僅有1/3 的專利是在本國申請的，其余均流入多個國家或組織進行公開。顯然，美國更加重視量子信息技術領域專利的全球化布局，這有利于推動量子信息產業的國際化發展。相比之下，中國在量子信息技術領域的全球化戰略水平較低，專利國際保護意識較為薄弱。

2．2．2 技術分布

為對比不同國家或地區在量子信息技術領域的創新水平，本文進一步結合專利被引頻次加以分析。專利被引頻次越高，說明其對后續相關技術創新的影響力越大。高被引專利在行業內更具創新性和啟發價值［1］。在2000—2022 年，全球共有11 084 條專利存在被引證情況，累計被引99 907 次。借鑒邱均平等［13］（2008）的觀點，將從申請公開后累計被其他專利引用次數超過60 次的專利定義為高被引專利。在11 084 條存在被引證情況的專利中，共篩選出170 件量子信息技術高被引專利，具體如表2所示。

表2 全球量子信息技術領域高被引專利情況

根據表2 的數據可知，在170 件高被引專利中，美國擁有其中的100件，遠遠超過了其他國家或地區擁有的高被引專利之和，專利平均被引次數達123．59 次。同時，從全球量子信息技術領域專利被引次數排名來看，美國包攬了全部的前10件高被引專利以及前20 件高被引專利中的18件。由美國Genghiscomm 公司申請的專利共被引594 次，位居全球之首。日本以22 件高被引專利位居全球第二位，專利平均被引次數為77．55 次。位居全球第三位的是英國，擁有11 件高被引專利。位居全球第四位的是中國，擁有9 件高被引專利，主要由浙江神州量子網絡科技有限公司、國家電網有限公司、安徽量子通信技術有限公司、山東量子科學技術研究院有限公司等企業以及中國科學院物理研究所、上海交通大學、江南大學等高校院所申請，專利平均被引次數為77．89次。與中國擁有相同數量高被引專利的是韓國，其專利平均被引次數為70．89 次。緊隨其后的依次為加拿大、德國、澳大利亞、開曼群島、比利時、法國和意大利等，高被引專利數量之和為19 件，其中開曼群島和加拿大分別占據了全球前20 件高被引專利中的1件。

由此可見，在量子信息技術領域，絕大部分的高被引專利都是在美國申請保護的，美國仍然是該領域的全球霸主。相對于龐大的專利申請數量，中國的高被引專利數量并不多，說明中國具有基礎創新性和奠基性的高質量量子信息技術還遠遠不夠。因此，未來中國亟須推動有效市場和有為政府更好結合，依托各類社會主體之間的融通創新，構建由龍頭企業牽頭、高校院所支撐、各創新主體相互協同的創新聯合體，打通基礎研究、應用基礎研究到產業化的雙向通道。

2．3 合作創新

為分析申請人的合作情況，本文利用Bicomb軟件生成申請人共現矩陣，將矩陣轉為關系列表后導入Gephi 軟件，繪制出申請人合作網絡，如圖7 所示。圖7 中節點的大小代表申請人合作申請的專利數量多少，通過節點的不同顏色區分申請人類型，連線的粗細表征申請人合作的緊密程度，即不同申請人之間的合作次數。

圖7 全球量子信息技術領域專利申請人合作創新網絡

計算結果表明，此網絡的密度僅為0．016，結構較為松散，包含大量以三元組、四元組形式存在的互不連通的小團體。基于PageRank 算法度量申請人的影響力，測得國家電網有限公司的PR值為0．008 341，遠高于其他創新主體。在全球量子信息技術領域專利合作創新網絡社群中，以國家電網有限公司為中心形成了一個最大規模的子網絡，相關的合作者主要包括南京南瑞國盾量子技術有限公司、南京南瑞信息通信科技有限公司、安徽量子通信技術有限公司等企業，北京郵電大學、華北電力大學、南京郵電大學、南昌大學等高校，以及國家電網旗下的公司和研究院等。除此之外，還有兩個以企業為主要合作方的子網絡，分別是以IBM 和科大國盾量子技術股份有限公司為中心構成的。其中，以IBM 為中心的子網絡，主要是圍繞IBM 在英國、德國、中國等的子公司展開合作創新；以科大國盾量子技術股份有限公司為中心的子網絡，同樣是圍繞國盾量子旗下子公司、國科量子通信網絡有限公司等企業展開合作創新。

在以高校為主體的合作創新子網絡中，主要包括北京郵電大學、北京大學、南京郵電大學及清華大學之間的合作創新，上海交通大學、中國科學技術大學及南方科技大學之間的合作創新，杜克大學（Duke University）、馬里蘭大學（University of Maryland）及其帕克分校（University of Maryland College Park）之間的合作創新等。在以學者為主體的合作創新方面，主要形成了以Radosavljevic Marko、Spiller Timothy P、Rose Geordie、Go Rowel C 等為核心的較大規模子網絡。對于科研機構而言，尚缺乏以其為主體的合作創新子網絡。比較常見的形式如北京量子信息科學研究院、國家電網山東電力科學研究院、中國電子科學研究院、日本科學技術振興機構（Japan Science Tech Agency）等參與到其他相關主體的合作創新子網絡中。

由此可見，目前全球量子信息技術領域的合作創新主要集中于同類型的創新主體之間，充分聯合企業、高校、科研機構及個人的多元主體協同創新模式較少。然而，不同類型主體之間的合作創新能夠更好地增強創新輻射力和成果轉化力，對于推動量子信息技術發展具有重要意義。因此，未來需要進一步加強各類型企業之間的聯系，加大企業、高校、研究機構與個人之間的合作力度，形成多元主體緊密聯系的大規模合作創新網絡，從而提升整個網絡的科技研發能力，促進量子信息技術領域的持續性創新發展。

3 結論與建議

3．1 研究結論

本文基于“整體趨勢—空間布局—合作創新”三維框架，系統分析了全球量子信息領域的技術發展態勢，得出如下結論：在整體趨勢維度，專利申請數量經歷了平穩發展期和迅猛增長期兩個階段，且在量子通信、量子密鑰分發、量子計算等方面呈現出較高程度的集中趨勢。在空間布局維度，美國擁有全球最多的高被引專利；中國是重要的技術研發中心和目標市場，但技術全球化戰略布局意識相對較弱。在合作創新維度，全球量子信息技術合作創新結構較為松散，存在大量的三元組、四元組的獨立小團體，且多類型主體之間的合作創新較少。

3．2 建議

結合本文的研究結論，為進一步促進中國量子信息產業的高質量發展，提出如下建議。

首先，政府部門應加強統籌指導，實施量子信息技術全球化戰略。政府部門應當積極引導量子信息技術領域的相關創新主體關注海外市場，加強與其他國家和地區間的創新合作。例如：建立政府間量子信息技術合作機制，共同制定量子技術標準和規范；組織企業參加量子技術國際展覽和論壇，拓展國際交流合作渠道等。此外，政府部門應當通過完善知識產權保護制度，幫助創新主體贏得量子信息產業國際發展先機。例如：加大對申請國際專利活動的政策支持力度，降低申請成本；建立知識產權快速維權機制，對侵權行為進行嚴厲打擊和懲罰；完善知識產權運用和交易服務體系，培育知識產權運營服務機構，為創新主體提供專業化的知識產權管理咨詢服務等。

其次，政府部門應聚焦關鍵領域，布局量子信息高價值專利。政府部門應當以實現高水平科技自立自強為引領，做好量子信息技術領域的頂層規劃設計和前瞻布局。例如：組建高水平的量子信息技術專家委員會，研究確定量子信息技術發展方向和重點；加大在量子通信、量子計算等領域的戰略科技力量投入，組建量子信息技術國家重點實驗室等［14］。此外，政府部門應當指導相關創新主體緊密跟蹤領域內的前沿技術發展動向，聚焦關鍵核心技術領域，加快高價值專利研發進程。例如：制定詳細的量子信息技術關鍵領域專利布局路線圖和時刻表，引導企業和科研機構加大創新投入；設立面向量子信息技術企業的專利申請資助基金，加快核心技術專利產出等。

最后，政府部門應鼓勵交叉融合，構建產學研用科技創新體系。政府部門應當培育量子信息產業集群，引導產業鏈上下游的高校、科研院所、國家實驗室、行業龍頭企業、科技金融機構等的創新資源協同對接。例如：在高校和科研院所建立開放式的面向產業需求的研發平臺，推動產學研結對共建；建立區域性量子信息技術創新聯盟，推動區域內產學研主體的資源整合等。此外，政府部門應當營造多元創新主體積極參與創新的良好社會氛圍，構建以龍頭企業為主體、以市場應用為導向、產學研深度融合的科技創新生態系統。例如：舉辦量子信息技術創新大賽，激發科研人員的創新熱情；加強量子信息技術領域的國際合作與交流，引進國際先進技術和經驗等。