摘要：量子通信作为理论上绝对安全的信息传输方式，受到全球广泛关注，近年来已逐步从理论走向实用化、商业化和产业化。在量子通信的基础研究和应用技术方面，美国、日本、中国、欧洲等居于世界前列。全球量子通信领域的专利快速增长，美日早期申请量较多，但近年来，专利申请地域向中国偏移。在量子通信的主要技术方向上，QKD技术的专利申请量远超QT、QSS和QSDC，CV-QKD由于应用部署难度相对较小，专利申请更加活跃。美国创新公司大力运作促进专利布局和应用推广，国内科研院所、量子通信专业公司以及设备商也在积极布局。基于QKD的量子保密通信协议、网络和器件是量子通信专利创新的主要方向。最后，分析了当前量子通信发展面临的主要问题，并提出了发展建议。

关键词：量子通信，专利，量子密钥分发，量子态隐形传输

1　引言

当前网络信息安全形势日趋复杂，对个人生活、经济活动乃至国家政治、军事、金融都造成了严峻的挑战，高效、安全的信息传输日益受到人们的关注，量子通信因此成为欧盟、美国和日本等发达地区和国家以及我国重点关注的前沿科技热点之一，国际竞争激烈。从技术分支上来看，广义的量子通信主要分为量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子态隐形传输（Quantum Teleportation，QT）、量子安全直接通信（Quantum Safe Direct Communication，QSDC）和量子秘密共享（Quantum Secret Sharing，QSS）。从产业发展来看，国外已经建造了一系列的小规模QKD技术验证网络，虽然数量和规模有限，但这标志着量子通信从理论研究正朝着商用化、产业化发展。

2　量子通信专利整体态势及技术方向

（1）量子通信专利申请进入快速增长期

从专利申请趋势来看，早在20世纪80年代量子通信的基本思想出现时就有了相关专利，由于该时期量子密钥分发技术均以理论研究和试验探索为主，在2000年之前专利申请量非常少。2001年之后，专利进入增长期，2001—2010年期间年申请量在100件左右；2010年之后，进入快速增长期，特别是最近5年，随着美、欧、英、日、韩量子通信研发及试点应用的发展，专利受到产学研界的重视，专利年申请量快速上升；与此同时，我国在量子密钥分发的实用化方面也跻身世界前列，相关专利不断出现，预计未来全球专利量仍将呈快速上升态势。

（2）量子通信主要技术方向专利分布情况

在量子通信主要技术方向中，QKD和QT是研究的主流方向，QKD方向上的专利申请总量最多。

目前，量子通信主要以光量子作为实现载体，QKD设备依据不同的QKD协议要求，利用各种光调制设备实现经典随机比特的传输，从而实现量子密钥的分配，基于QKD的量子保密通信是目前量子通信领域唯一进入实用化阶段的技术方向。从专利申请来看，QKD全球专利申请超过1500个专利族，国内外高校与科研院所、从事设备研发与建设运维的量子通信专业公司以及高校孵化出来的创业公司是QKD技术主要的专利申请人；此外，电网等行业应用公司也从电力系统中的量子通信应用角度布局专利。

QKD主要包括CV-QKD（连续变量量子密钥分发）和DV-QKD（离散变量量子密钥分发）两种方式。从专利布局来看，CV-QDK由于成本低，应用部署难度相对小，相关专利申请量更多，CV-QDK方向上产生了一些针对CV-QKD的高效协商算法、本地本振方案的专利，比如瑞士的IDQ在专利EP 3337 063A 1里提出了自由空间光通信的量子密钥分发方法；日本东芝在专利GB2514134B里提出了采用CV-QKD方案解决传输长距离经典波分复用信号复用QKD信号的问题；英国剑桥企业有限公司和约克大学在专利WO 201910638 1A 1中提出了一种使用CV-QKD技术检测光通信信道上的窃听的方法。相比之下，DV-QKD方向上的专利申请总量较少，主要围绕编码、收发器提出方案，比如多伦多大学在专利CN104579638B公开了一种基于离散随机相位的诱骗态量子密钥分发系统方案；美国桑迪亚国家技术和工程解决方案公司（NTESS）在US10341096中提出了用于DV-QKD的收发器和接收器方案。

QT是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量实现信息直接传输的技术，目前专利申请量近百件。从专利申请来看，主要围绕编码方法、传输协议提出方案，比如日本NEC在专利JP 200517291 0A 中提出了一种量子隐形传态装置以实现GC方案；美国波音公司在US9264225里公开了一种使用量子隐形传态发送量子加密数据的方法；某高校提出了“一种基于W态的可控OAM量子隐形传态方法”；某设备商公开了“一种中继过程可以采用量子隐形传态技术的量子通信芯片方案”。但整体来看，QT技术仍处于理论研究与试验验证阶段，是量子信息基础科研热点方向之一，但未来实用化尚无明确前景。

相比之下，QSS和QSDC的专利申请量很少，仅有几十件，专利申请主要围绕半量子秘密共享（Semi-quantum Secret Sharing，SQSS）、多方量子秘密共享（Multiparty Quantum Secret Sharing，MQSS）技术提出秘密共享方法过程的优化方案，比如某高校提出了“一种基于单光子的要求经典通信者具备测量能力的环形半量子秘密共享方法”“一种多方量子秘密共享系统的纠错方法”“一种分步传输的量子安全直接通信方法”。目前，在这两个方向上的授权专利数量很少，专利申请人主要是高校，而且QSDC和QSS尚没有明确的试验系统和实用化前景。

（3）QKD的技术/协议/网络和器件是专利创新主要方向

通过对量子通信专利技术方向聚类分析，基于QKD安全通信相关的信道消息、同步、侦听、密钥生成方法、数字签名、密钥中继、身份认证、芯片、密钥协商过程、QoS、安全通信架构、QKD控制器等是专利申请的主要方向。QKD与电力、金融、基础设施等行业应用方向结合也产生了一些应用类专利，比如将QKD应用于智能充电网、VoLTE量子加密终端的专利。此外，量子通信还与云计算、存储、传感网应用存在专利技术创新的空间。

图1　量子通信相关专利全球申请态势

3　国外量子通信技术重要创新主体

（1）美、欧、日、韩、加拿大形成竞争格局

美国、欧洲、日本、韩国和加拿大企业积极开展技术创新和探索产业应用，图2是国外重点申请人的全球专利布局情况。从专利地域来看，美国专利局受理的专利数量最多，日本、WIPO、欧洲专利局和韩国紧随其后，这些国家或地区是量子通信产业的主要目标市场国，包括瑞士的ID Quantique，日本的Japan Science and Technology Agency（JST）、Toshiba、NTT、Mitsubishi、NEC，芬兰的Nokia，美国的谷歌、HP、MagiQ等均有较多专利布局。此外，尽管未在图2中出现，美国麻省理工学院、LosAlamos实验室、加利福尼亚大学也在量子通信领域布局了相关专利。

图2　国外量子通信重点申请人专利地域分布

专利公开地域能反映出量子通信领域逐步渗透或改变方向的市场。美国、欧洲和日本在积极部署，美国于2018年6月立法启动10年国家量子计划，前期投入8亿美元用于防黑客量子通信、超精密量子传感器、量子计算机3个领域研发。2019年6月，在罗马尼亚召开的布加勒斯特数字大会上，比利时、德国等7个国家宣布加入QCI计划，随后匈牙利等3国也宣布加入该计划，将在未来10年内共同研发和部署欧盟量子通信基础设施，以提升欧盟在量子技术、网络安全和产业竞争力的实力。日本总务省量子信息和通信研究促进会提出“新一代量子信息通信技术”长期研究战略，计划在2020—2030年间建成利用量子加密技术的绝对安全和高速的量子信息通信网。同时，结合专利年度申请趋势来看，美国和日本多年来量子通信申请量保持稳定，专利布局持续受到企业重视。

（2）美日专利布局较早，创新公司大力运作促进专利布局和应用推广

美国的MagiQ、日本的NEC、Toshiba的专利布局时间较早，这些国家也更早地步入实用化探索阶段，如美国的MagiQ、BNN以及瑞士的ID Quantique最早提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案等。从各国专利申请人类型来看，美国和日本的企业申请的量子通信专利比科研机构申请的数量更多。美国的创新公司大力运作促进量子通信专利布局和应用推广，通过强有力的公司大力运作，促进科研单位技术上的推广应用。企业从量子理论方法到技术方案均有所布局，创新公司积极围绕产品布局，比如MagiQ对产品的技术性能部分也布局了专利。

4　量子通信发展面临的主要问题

量子通信产业已经取得一定发展，但是大规模的应用推广仍面临困难和挑战。主要原因包括：量子通信的系统性能仍有待提高，技术验证与标准规范研发还处于起步阶段，由于涉及众多技术领域，标准化工作的难度较大，协调工作较难；量子通信初期市场规模和用户群体有限，加之传统移动通信业对量子通信的应用参与程度较低，目前部分企业仍持观望态度。

5　结束语

量子通信能够有效提升加密信息传输的安全性，是未来应对网络信息安全威胁的重要技术手段之一。近5年来，与量子通信相关的专利申请大量出现，美国、日本、欧洲等地区和国家的创新公司、设备商、科研机构积极布局专利。基于QKD的量子保密通信是目前量子通信实用化程度领先的技术方向，同时也是专利申请量最多的技术分支，围绕QKD技术的器件以及协议和编码优化方案是专利布局热点方向。建议企业在参与全球量子通信技术研发和实用化、产业化过程中继续重视相关技术与产品的专利申请，重视国外高风险专利和高风险权利人，在推进国际标准研制过程中还应积极培育标准必要专利。

参考文献：

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