(Daily Issue)量子技术成熟近在眼前 专利布局谁先卡位

庄衍松

美国汽车工程师协会(SAE International)依据汽车自动驾驶能力的成熟度，列出6个等级。同样的，对未来具大影响力的量子电脑依成熟度也有4个等级，到目前为止，虽然还没有任何一家公司或政府研究单位能达到第四级，然而从科技发展的进展来看一定会达到，只是时间早晚的问题。诺贝尔物理奖2022年颁给量子物理的研究者之后，更加证明量子计算是无法阻挡的趋势。

量子科技已是后摩尔定律时代最关键的领域之一。近期欧洲提出「量子旗舰计划」，会有7个国家共同合作打造Rydberg量子处理器。另外由QuTech主导成立的量子网络联盟(Quantum Internet Alliance；QIA)亦提出7年的研发计划，要建置欧洲量子网络原型和生态系。2022年11月欧洲量子软件研究院(EuropeanQuantum Software Institute；EQSI)已宣布将致力和产业界、硬件厂商合作，投入量子软件和演算法创新。

世界经济论坛(World Economic Forum) 2022年9月曾发布「量子运算现状：建构量子经济」的洞察报告。以政府对量子运算科技的投入为例，国内大陆的规模是全球最大，高达153亿美元，是整个欧盟72亿美元的2倍以上，更远远超过美国的19亿美元和日本的18亿美元。

而从量子专利布局来看，美国在量子计算方面具有领先优势，国内则以量子通讯最为突出，法国则在军事与国防相关的量子传感方面着力最深。台湾的量子科技主要还在学术研究阶段，论文数量在稳定成长中，但申请专利和量子新创公司的数量则未有进展。

台湾量子技术发展进度

量子电脑的量子效应可以探索以前无法研究的领域或无法计算的问题。目前国际上把量子电脑成熟度分成4级：Level 1是先做出量子位元；Level 2是要能控制量子位元；Level 3是可以在计算中除错，或做到可容许错误的计算，亦即杂讯中等规模量子电脑(NISQ)。Level 4则需具备Level 1到Level 3的长同调性、高控制精度、高保真度(Fidelity)，还要能具有扩展性。

目前台湾中研院物理研究所陈启东等人做的超导量子位元(Superconducting Qubit)、富士康研究院林俊达的离子阱(Tapped Ion)量子都算是第三级；至于学界在做的中性原子(Neutral Atoms)、氮空位(Nitrogen-Vacancy)属第二级。更有学者是投入Level 1的探索，主要是物理研究所的教授投入马约拉纳(Majorana)量子位元、能稳定且容错的拓朴(Topological State)量子电脑等研究。

学界发现，当拓朴材料与超导体结合时，会产生一特殊准粒子，称为马约拉纳束缚态(Majorana Boundstate)，此准粒子有着非对易性(Non-Commutative)的交换统计特性，并有作为拓朴量子计算之潜力。探索能为马约拉纳费米子(Majorana Fermions)和量子超导元件带来重要进展的新颖拓扑三重态超导体是台湾的研究重点之一。如果成功，有可能改变量子电脑与计算元件开发的游戏规则，扮演举足轻重的地位。

诺贝尔奖颁给量子科技研究者，更让相关研究的士气大振，台湾学界探索的题目包括研究1种基于超辐射的新型量子存储器，提升光存储器的带宽至GHz量级。也有团队要开发积体化光量子芯片及后端量子信息处理系统，用于产生高速、多通道、可携式保真随机乱数信号源模块，以期未来可应用于室温、常压下操作的光量子信号处理。

此外，中研院团队也致力于建立台湾第一套中性原子平台的量子电脑，其目标是64个量子位元，成为台湾最高的量子计算系统，后续还要提升其量子位元数至约200个，并模拟量子自旋磁性及拓朴自旋流体等理论，以超越现有超级电脑计算能力。在研发过程中会用到的高速多频道光电控制系统、雷射频率锁定于微光梳系统、以及冷原子捕捉与光阱阵列芯片化等技术，都有产业化与商品化的潜力。

量子技术，下一个中美科技战战场？

2019 年Google在《自然》(Nature)期刊发布了利用53个量子位元、并且仅花了200秒解决目前尖端超级电脑需要约1万年才能计算出来的问题后，许多人开始思考，量子科技会不会进入生活？如果要能实际应用，必须走出实验室进行产业化，要产业化就必须有标准，而真正进入到商业应用领域，量子的专利也不可或缺。台湾学研界的量子研究成果如果只是做出元件而非系统，未来要如何快速与产业界的需求做对接和整合，才是当前最大的挑战。

经济部智能财产局使用Derwent Innovation专利数据库检索2020年12月31日前公开的全世界专利数据，于2022年7月发布2份有关量子专利的研究。结果发现，量子计算专利申请量前两大为美国及国内，第三至第十依序为：世界知识产权组织(WIPO)、日本、欧洲、韩国、澳大利亚、加拿大、德国以及台湾。厂商选在美国和国内申请量子专利，就知道这两大市场未来的量子电脑必定会蓬勃发展，中美之间专利防卫战也可能一触即发。

台湾量子产业发展策略

在量子计算专利申请量方面，美国IBM、英特尔(Intel)、Google最具影响力，国内则急起直追。若单从专利布局来看，美国企业将会是量子电脑的领先者。台湾如果要进入量子计算领域，与美国专利布局领先者合作应该是不得不的选择。因为不论美国或国内，量子专利布局已遥遥领先他国家，台厂若欲切入量子计算技术市场，一定有专利侵权的风险和专利回避问题。再不然就是期待台湾学界能另辟蹊径，研发出不同于现有量子电脑模型及通用量子技术之架构。但如果学界因设备、资源和人力限制只能做元件，做不出系统，对厂商而言，可能不具备技转的价值，因为厂商接手后的后续成本和风险极大。

目前较可行的方案是台厂选择美国和国内的客户，协助投入量子位元制备、电路处理、位元控制或状态测量之关键零组件，以优化量子计算效能，在供应链上找到自己的定位。如果是光量子电脑，目前国内的专利最多，台厂可以找到和国内量子电脑公司合作或成为供应链的机会，例如合肥本源量子以及如般量子科技等公司。

量子通讯技术现况

如果谈到量子通讯，在世界前十大量子通讯专利申请人中，国内就占了7个。专利数量最多者是科大国盾量子、第二是国内电子科技集团、第三是如般量子科技。其他如国内的国家电网公司、安徽问天量子科技也极具影响力。毫无疑问，国内在量子通讯领域已是遥遥领先包括美国在内的世界各国。甚至可以说，国内已经是量子通讯的标准制定主导者。包括通讯协议规则的设计以及通讯网络建构技术，目前没有国家能超越国内。

台厂和国内资通讯产业有密切的垂直分工关系，未来在量子通讯的发展上，不仅台湾没有话语权，就连美国、日本、欧洲也没有。但台湾没有量子通讯的基础，不代表台湾没有介入的可能。因为量子通讯设备还是有成熟度、可靠度、数据传输安全性等各方面的工程问题要解决，有没有可能会像5G ORAN、Starlink一样有用得到台厂的地方，其实也很难说。就看台厂和国内量子通讯大公司怎么谈。

从合作专利分类(Cooperative Patent Classification；CPC)来看，量子通讯占比最高的分类号为量子口令，占 39%；次高为光量子通讯，占 25%；第三高为量子密钥筛选或编码的细节，占21%。从CPC分类的专利数量比例中可看出，量子通讯技术的研发着重于传输过程中，如何利用量子密钥分发技术确保密钥分配的安全性、稳定性。

量子传感技术现况

至于在量子传感方面如量子磁力计、量子重力计、量子导航、量子雷达等，其精确度可从传统陀螺仪中24小时航行时误差为2公里、提高到航行数个月内只会误差100米。若用其取代传统陀螺仪的导航技术，量子导航的精准度将能够使潜艇航行更加安全。从专利申请人来看，法国原子能和替代能源委员会(French Alternative Energies and Atomic Energy Commission)排第一；其二是国内的北京航空航天大学；第三是日本三菱电机(Mitsubishi Electric)，美国洛克希德(Lockheed)则排在后面。由于量子传感主要用于军事用途、油气探测、地震火山活动监测等，台厂在工控、航太有产品线的公司，或许也有机会可争取到代工订单。

相对于国内、美国在量子专利的积极布局，台湾不但量子相关专利极少，甚至连产业链都没有，着实令人捏一把冷汗。但美国标准局(NIST)的后量子口令学标准化竞赛中，台湾中研院是有参与的。这表示台湾在量子科学方面，仍有一定的实力。

如果政府「5年80亿元」支持的「量子国家队」无法参与量子电脑、量子通讯、量子传感的标准制定，专利数量上也看不到美国和国内的车尾灯，更无法研发出不同于现有量子电脑模型及通用量子技术之架构。至少应该培育产业界可用的量子科研人才，显着提高台湾厂商未来进入国际量子产业链的机会。这或许也是评估台湾量子科研成功与否的另类指标。

责任编辑：毛履万亿