龐遠

摘要：隨著半導(dǎo)體技術(shù)在硬件層面逐漸接近瓶頸，業(yè)界對新的計算技術(shù)提出了更迫切的需求，量子計算隨之逐漸進入公眾和行業(yè)的視野。理論上，能夠?qū)崿F(xiàn)量子計算的體系有很多，而目前比較領(lǐng)先甚至于已經(jīng)實現(xiàn)初步商用化的量子計算體系主要是基于磁通超導(dǎo)量子比特的體系。因此，本文針對磁通超導(dǎo)量子比特的國內(nèi)外專利申請，對專利申請量、申請人分布、技術(shù)分支等方面，進行了較為全面的專利技術(shù)分析。專利申請是在DWPI、SIPOABS、CNABS等專利文獻數(shù)據(jù)庫中，利用相關(guān)的專利國際分類號、本領(lǐng)域關(guān)鍵詞等手段進行的檢索和數(shù)據(jù)分析。本文能夠給相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和企業(yè)提供專利申請層面的參考。

關(guān)鍵詞：專利申請;磁通超導(dǎo)量子比特

中圖分類號：O413 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）24-0047-06

Patent Review of Magnetic Flux Superconducting Quantum Bits

PANG Yuan

（Patent Office， National Intellectual Property Administration， PRC， Beijing 100088）

Abstract： As semiconductor technology approaches the bottleneck at the hardware level， the industry has placed more pressing demands on new computing technologies， and quantum computing has gradually entered the public and industry perspectives. In theory， there are many systems that can realize quantum computing， and the quantum computing systems that are currently leading and even the initial commercialization are mainly based on the system of magnetic flux superconducting qubits.Therefore， this paper has carried out a more comprehensive patent technology analysis on patent applications， applicant distribution， and technology branches for domestic and foreign patent applications of magnetic flux superconducting qubits. Patent applications are searched in the patent database of DWPI， SIPOABS， CNABS， etc.， using relevant international patent classification （IPC） with keywords in this field. This paper can provide reference for patent applicants to scholars and companies in related fields.

Key words： patent application; magnetic flux superconducting qubit

1 技術(shù)概述

隨著傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件高集成度發(fā)展逐漸出現(xiàn)瓶頸，器件的集成度和晶體管小型化已經(jīng)逐漸接近極限，技術(shù)不可能超越物理定律而無限制發(fā)展，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片的計算能力和單體器件的性能的進步空間已經(jīng)逐漸消失。因此，許多人早已將注意力放在了開拓新的計算技術(shù)。

1982年Richard Feynman 提出利用量子計算機來模擬研究量子體系的想法，1985年David Deutsch提出了量子圖靈機的普適量子計算機模型，為人們打開了計算機技術(shù)發(fā)展的新思路，量子比特[1，2，3，，54]的概念也逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。相比基于二進制0和1數(shù)據(jù)量的傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管/比特，基于量子力學(xué)基本原理的量子比特可以表達為α|0>+β|1>的疊加態(tài)，理論上參數(shù)α、β只要滿足歸一化條件，可以取任意值，這意味著，單個量子比特的數(shù)據(jù)處理能力可以在理論上做到無窮多;因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的量子計算，數(shù)據(jù)處理能力在理論上可以做到無窮多，即便考慮到現(xiàn)實中對量子態(tài)的處理精度無法完全理想化，具有多個量子比特耦合的量子計算機的實際處理能力也可以做到遠遠超過傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片，并且完全不受器件尺寸的約束。

在科研領(lǐng)域，針對量子計算的研究已經(jīng)發(fā)展了三十多年，理論上有多種體系和途徑可以實現(xiàn)量子計算，例如量子點體系、冷原子體系、量子霍爾態(tài)體系、超導(dǎo)量子器件體系等，而其中，超導(dǎo)量子器件體系是目前的唯一成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的量子計算的體系，并且超導(dǎo)量子器件完全可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工技術(shù)進行器件的加工制造，從而制備相關(guān)的功能器件（即量子比特），因此受到了更多的關(guān)注。而針對超導(dǎo)量子器件體系，在理論上可以根據(jù)其工作原理細分為電荷量子比特[1]、相位量子比特[2-3]和磁通量子比特[4-5]，這其中，磁通量自比特是最穩(wěn)定且已經(jīng)實現(xiàn)了量子計算的一種器件，并且近年來也由各大主流公司和科研機構(gòu)實現(xiàn)了基于磁通量子比特的可商用化的量子計算機。

本文針對磁通超導(dǎo)量子比特的專利申請進行了分析。本文引用的專利數(shù)據(jù)是在DWPI、SIPOABS、CNABS等數(shù)據(jù)庫進行檢索的，專利分類號使用H01L、G06N，關(guān)鍵詞為：量子計算、量子比特、超導(dǎo)、超導(dǎo)量子干涉器、約瑟夫森結(jié)、磁通以及其相關(guān)英文詞等。

2 專利現(xiàn)狀分析

經(jīng)檢索，截止到2018年底，已公開的全球范圍內(nèi)的相關(guān)專利申請356件，其中在中國的專利申請共55件。圖1為磁通超導(dǎo)量子比特全球/中國專利申請趨勢圖。

由圖1可以看出，在全球范圍內(nèi)，專利申請從1999年開始出現(xiàn)，到2011年前后，專利申請量比較平穩(wěn)，但是數(shù)量并不多，直至2012年開始，專利申請量開始加速增長。量子計算領(lǐng)域成為科研熱點也已經(jīng)多年，大量的學(xué)術(shù)論文不斷涌現(xiàn)，但是相關(guān)的專利申請量則并不多。如業(yè)內(nèi)人員了解的是，2009年前后，理論物理學(xué)家A Kitaev、M Freedman、Das Sarma等人開始受到美國微軟（Microsoft）公司支持，大力研發(fā)量子計算機理論模型;2014年美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）的J Martins全實驗組被收入美國谷歌（Google）公司;由此，世界范圍內(nèi)的計算機、互聯(lián)網(wǎng)巨頭企業(yè)開始發(fā)力布局量子計算領(lǐng)域，致使該領(lǐng)域開始成為競爭焦點，專利申請量才開始出現(xiàn)明顯增長。需要注意的是，圖1中2017年前后的專利申請量呈下降趨勢的原因是，各個國家的專利制度對專利申請的保密時間有要求，近年來申請的專利并未向公眾公開，因此無法納入統(tǒng)計。

而該領(lǐng)域在中國國內(nèi)的專利申請量雖然從2014年后開始出現(xiàn)增長，但是整體數(shù)量仍然非常少，總量也不過區(qū)區(qū)數(shù)十件，并且其中大多為國外申請人，國內(nèi)申請人在該領(lǐng)域的專利重視程度明顯不足。不過近兩年來阿里巴巴、騰訊、華為等企業(yè)開始紛紛與國內(nèi)科研院所合作，可預(yù)見的是，企業(yè)力量的介入能夠促進該領(lǐng)域國內(nèi)專利申請量的增長。

圖2為專利申請人國別分布圖，可以看出，美國專利申請占據(jù)了本領(lǐng)域?qū)＠暾埖囊话胍陨?原因也顯而易見，美國高校、研究所在本領(lǐng)域的積累已經(jīng)有數(shù)十年，加之美國企業(yè)較早與高校、科研院所合作，專利布局意識較強;并且傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片/計算機巨頭企業(yè)，如IBM、Intel、Microsoft等，本就是美國企業(yè)，也較早地進入到了磁通超導(dǎo)量子比特領(lǐng)域的研究和商用化進程中。加拿大作為第二申請人來源國，主要是由于其本土的D-WAVE SYSTEMS公司的大量專利申請。此外，日本在量子計算領(lǐng)域也表現(xiàn)比較突出，在下文內(nèi)容中可以看到，許多里程碑式的專利申請也都來自日本申請人，因此，日本在本領(lǐng)域的專利申請也占據(jù)比較重要的地位。相比之下，中國申請人則十分稀少。

圖3為本領(lǐng)域的重要申請人的申請量統(tǒng)計表，其中統(tǒng)計了申請量多于5件的申請人。其中，加拿大的D-WAVE SYSTEMS公司申請量占比較大，其基本上支撐了加拿大全部在本領(lǐng)域的專利申請。從圖3中也可以看出，美國的申請人實力較為強大，其中IBM、Microsoft、Google、Intel等企業(yè)，是公眾所熟知的計算機/互聯(lián)網(wǎng)巨頭企業(yè);另一個重要的美國申請人是Northrop Grumman Systems公司，其本身為一家軍工企業(yè)，美軍的B2轟炸機即為其設(shè)計生產(chǎn)，該公司也涉足了磁通超導(dǎo)量子比特領(lǐng)域，但其并未在中國申請任何專利;從這家企業(yè)的專利申請可以看出，美國在軍事和國防方面，也對本領(lǐng)域十分重視。日本的NEC、日本電報電話公司等都是該領(lǐng)域內(nèi)較早布局且較有實力的公司。

從圖中不難看出，沒有申請量多于5件的中國專利申請人，也體現(xiàn)出中國的專利申請人也非常少，不過隨著近些年來國家對相關(guān)領(lǐng)域科研的重視，一大批優(yōu)秀的科學(xué)家也投入到了本領(lǐng)域，如中科大的潘建偉院士、郭光燦院士、朱曉波教授，中國科學(xué)院的呂力研究員、鄭東寧研究員，清華大學(xué)的王浩華教授、孫麓巖教授等，加之阿里巴巴、騰訊等獨角獸企業(yè)的投入，中國的量子計算發(fā)展迅速。在專利申請和專利布局方面，中國的相關(guān)人士的專利保護意識還有待加強，但相信在企業(yè)力量的注入之下，很快將會有大量的中國專利申請出現(xiàn)。

3 技術(shù)發(fā)展分析

3.1 技術(shù)分布

為了實現(xiàn)基于磁通超導(dǎo)量子比特的量子計算機，基本上可以把本領(lǐng)域的技術(shù)分為四大分支：（1）基本器件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)量子計算機的物理器件基礎(chǔ)，不同的器件結(jié)構(gòu)會影響器件的諸多性能;（2）耦合，包括用于實現(xiàn)量子比特之間的量子態(tài)的耦合，以及用于實現(xiàn)量子比特與其他電路元件之間的耦合，由此實現(xiàn)整個信息的操作和讀寫;（3）新操控方式，在上文中提到，基于量子力學(xué)基本原理的量子比特處于一種α|0>+β|1>的疊加態(tài)，因此，對上述量子態(tài)的操縱，才是實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)處理能力的關(guān)鍵;（4）多器件布局，由于現(xiàn)實手段的局限，單個量子比特的計算能力遠不能實現(xiàn)其理論上的能力，因此需要多個量子比特之間的共通作用，而多個量子比特之間的布局，以及量子比特與諧振腔、放大電路之間的布局，同樣影響著量子計算機的性能。

圖4所示為本領(lǐng)域的技術(shù)分支構(gòu)成圖，其中可以看出，基本器件結(jié)構(gòu)和耦合這兩個方面占據(jù)了整個專利申請量的絕大部分，原因不難理解：因為基本器件結(jié)構(gòu)和耦合這兩方面，是實現(xiàn)量子計算的基礎(chǔ);并且量子比特的工作條件相當(dāng)苛刻，而且量子態(tài)非常不穩(wěn)定，例如人們所了解的薛定諤的貓，任何探測量子態(tài)的操作，都會造成量子糾纏態(tài)的快速塌縮（即變?yōu)槲ㄒ粦B(tài)），量子計算的基本糾纏/相干條件也就不復(fù)存在，因此，不斷地追求穩(wěn)定的長時間的量子態(tài)，一致以來都是本領(lǐng)域追求的目標(biāo)，基于此，能夠?qū)崿F(xiàn)上述條件基本器件結(jié)構(gòu)和耦合也是本領(lǐng)域的研究重點。

圖5為本領(lǐng)域的重要申請人的技術(shù)分布情況。圖中同樣可以看出，基本器件結(jié)構(gòu)和耦合占據(jù)了各申請人專利申請量的重要比重。進一步的，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造企業(yè)，如Intel，其本身積累了大量的器件制造技術(shù)，因此，其專利申請中的基本器件結(jié)夠占據(jù)了主要地位;而互聯(lián)網(wǎng)/計算機企業(yè)，如谷歌/微軟，除了在基本器件結(jié)構(gòu)中涉及較高比重的申請，在操控方式和耦合等方面，也具有較大的申請量;而諸如IBM、Northrop Grumman、Nippon Telegraph and Telephone等公司，其本身歷史上就涉獵諸多研究領(lǐng)域，因此其專利申請的技術(shù)分布相對比較平均。

3.2 技術(shù)功效

本領(lǐng)域的專利申請主要所實現(xiàn)的技術(shù)效果，主要可以分為以下幾個方面。

（1）新結(jié)構(gòu)/新材料：為了實現(xiàn)穩(wěn)定的可操控的量子態(tài)而提出新的量子比特的器件結(jié)構(gòu)或者運用新材料。

（2）增加相干時間：如上文提到量子計算的基礎(chǔ)是一種對量子疊加態(tài)的操作，而量子態(tài)的穩(wěn)定存在時間，通常上也被指代為整個系統(tǒng)的相干時間。簡單地理解，可以認為相干時間是穩(wěn)定處理量子態(tài)所需要的時間，超過這個時間，量子態(tài)之間不再相互關(guān)聯(lián)，量子態(tài)將演化為一種塌縮的固定狀態(tài)或其他量子態(tài)，之前所做的操作也變得沒有意義;而這個時間非常短，通常以毫秒甚至微秒為單位計量，因此，增加器件/系統(tǒng)的相干時間，對于量子計算的可靠性而言非常重要。

（3）提高穩(wěn)定性：量子比特工作所需的條件非?？量蹋绻ぷ鳒囟刃枰咏^對零度，并且量子態(tài)非常容易受到環(huán)境擾動而消失，因此提高器件的穩(wěn)定性，也是本領(lǐng)域追求的一個重要方面。

（4）降低噪音：量子態(tài)的信號強度相對比較弱，也極易受外界環(huán)境干擾，因此，在實現(xiàn)量子計算時，需要盡可能減小不需要的信號干擾，即噪聲。

（5）提高可操控性：量子態(tài)不穩(wěn)定，并且根據(jù)量子力學(xué)基本原理，任何測量或探測量子態(tài)的操作，都會造成量子態(tài)的塌縮;而量子比特中信息的傳遞、復(fù)制和處理本身又是一種對量子態(tài)的探測或改變，本身存在一定的矛盾性。同時，從某些角度而言，穩(wěn)定的量子態(tài)也是不容易得到的，需要外界條件（如磁場）的精確調(diào)控。因此，高效的產(chǎn)生量子態(tài)，并且在穩(wěn)定的相干時間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)有效地、穩(wěn)定地操作量子比特，也非常重要。

（6）高速響應(yīng)：量子計算機通常需要復(fù)雜的耦合體系，能夠在相當(dāng)短的相干時間內(nèi)完成復(fù)雜的計算，需要整個系統(tǒng)響應(yīng)速度足夠快、足夠準確。

（7）電路優(yōu)化：量子計算機本身涉及諸多電路結(jié)構(gòu)，同樣需要對電路進行適應(yīng)性和有針對性的優(yōu)化。

圖6為對本領(lǐng)域?qū)＠治龅募夹g(shù)功效圖，圖中展示了技術(shù)分支（橫軸）與技術(shù)效果（縱軸）之間的專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從中也可以看出不同技術(shù)分支所側(cè)重解決的技術(shù)問題和實現(xiàn)的技術(shù)效果。在現(xiàn)階段，本領(lǐng)域相對比較重視的技術(shù)問題是如何增加相干時間、期間穩(wěn)定性，減少噪聲，因此也對應(yīng)地印證了上文提到的在基本器件結(jié)構(gòu)和耦合這兩方面集中了較多的專利申請量。

3.3 技術(shù)路線

圖7為磁通超導(dǎo)量子比特的技術(shù)路線圖，其中四種顏色的框圖內(nèi)對應(yīng)圖例中的四個技術(shù)分支。

1999年，本領(lǐng)域的第一件專利申請由美國IBM公司提出，其基于s波超導(dǎo)和d波超導(dǎo)的對稱性不同，構(gòu)造了由上述兩種超導(dǎo)體構(gòu)成的超導(dǎo)量子干涉器，實現(xiàn)了一種相位特殊的磁通超導(dǎo)量子比特結(jié)構(gòu)。

2000年，基于與IBM公司的相關(guān)專利，加拿大的D-WAVE SYSTEMS公司提出了一種利用d波超導(dǎo)自身晶向相位差的超導(dǎo)量子干涉器/磁通超導(dǎo)量子比特。同年，日本NEC公司提出了一種用于讀取基于多結(jié)區(qū)的超導(dǎo)量子干涉器（一種量子比特）的耦合結(jié)構(gòu)。

2003年，日本的研究機構(gòu)NIIT和JAST，提出了一種對多個量子比特構(gòu)成的量子芯片的操控方式。這里需要注意的是，多個量子比特耦合成的多量子比特體系，早已被研究多年，但并未被申請專利。

2009年，美國IBM公司提出了一種光-超導(dǎo)耦合的量子中繼方式，實現(xiàn)了通過光探測量子比特中的量子態(tài)的新方法。

2009—2010年，美國微軟（Microsoft）公司與A Kiteav教授合作，首次提出了一種具有拓撲保護的拓撲超導(dǎo)量子比特的構(gòu)想模型。這里需要解釋的是，傳統(tǒng)的基于超導(dǎo)量子干涉器的磁通超導(dǎo)量子比特，會隨著時間演化而退相干，即在時間上是不穩(wěn)定的，相關(guān)的量子態(tài)操控也是在時間域上完成的;而拓撲保護的拓撲超導(dǎo)量子比特，并不會隨著時間而發(fā)生任何變化，其會在空間上產(chǎn)生不同的量子糾纏態(tài)，即針對其是在空間域上進行操作?？梢姡負浔Ｗo的超導(dǎo)量子比特，具有很高的時間穩(wěn)定性，當(dāng)然，在空間操作上具有一定的難度，即便到目前為止，也并未能夠有效地實現(xiàn)真正的量子計算。

2012年，美國微軟（Microsoft）公司與日本的研究機構(gòu)NIMS，幾乎同時提出了使用Majorana費米子體系構(gòu)成的拓撲量子比特結(jié)構(gòu)。這里需要解釋的是，Majorana費米子在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，是近十年來人們關(guān)注的大熱點，其具有拓撲保護的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)基于非阿貝爾統(tǒng)計的操作，是實現(xiàn)空間上的量子態(tài)糾纏（量子計算）拓撲超導(dǎo)量子比特的最好的體系之一，因此，也受到了諸如微軟等公司的關(guān)注，相關(guān)專利申請量也從此開始增加。同年，美國IBM公司提出了一種具有特殊諧振腔的多量子比特耦合的量子芯片，并且?guī)缀踉谕瑫r，實現(xiàn)了多量子比特的量子計算的初步商用化。

2014年，美國谷歌（Google）公司全面引入美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）的J Martins團隊，開始涉及量子計算領(lǐng)域，同年便申請了一種新的多量子比特布局結(jié)構(gòu)的量子芯片專利。

2016年，美國微軟（Microsoft）公司提出了一種基于自旋軌道耦合納米線結(jié)構(gòu)的拓撲超導(dǎo)量子比特結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)地操控方式，并先后提出了兩件重要專利申請。

隨著近年來的專利技術(shù)的演化，可以看出，美國微軟（Microsoft）公司引領(lǐng)了新的可能的拓撲超導(dǎo)量子比特潮流，并申請了大量的相關(guān)重要專利，但是需要注意的是，時質(zhì)今日在科研學(xué)界也并未真正地實現(xiàn)拓撲超導(dǎo)，因此微軟（Microsoft）的專利申請更多的是一種預(yù)先性的占領(lǐng)市場。IBM和Google公司則針對原有的已經(jīng)比較成熟的傳統(tǒng)超導(dǎo)量子干涉器構(gòu)成的量子比特，進行了大量的商用化工作，并且已經(jīng)取得了顯著的成效。

4 總結(jié)

本文對磁通超導(dǎo)量子比特的相關(guān)技術(shù)進行了綜述性的分析，針對申請趨勢、申請人分布、技術(shù)分支、技術(shù)功效和技術(shù)發(fā)展路線進行了比較有針對性的總結(jié)?？梢钥吹?，以傳統(tǒng)巨頭企業(yè)（如微軟、IBM、谷歌）為引領(lǐng)的超導(dǎo)量子比特領(lǐng)域，已經(jīng)開始逐漸受到巨大的重視，國際上特別是美國，已經(jīng)給予本領(lǐng)域相當(dāng)大的投入，并且大力進行專利布局。雖然在技術(shù)層面上，本領(lǐng)域還在探索階段，技術(shù)門檻比較高，最優(yōu)方案也并未塵埃落定，商業(yè)效益更遠無法實現(xiàn)，但是國際競爭已經(jīng)非常激烈。相比之下，中國在這一領(lǐng)域的專利布局非常薄弱，還有待進一步的發(fā)展和布局。不過有信心的是，在技術(shù)層面，中國的科研工作已經(jīng)步入國際先進行列，不少新的現(xiàn)象和技術(shù)也是由中國科研工作者提出，相信在中國企業(yè)的支持和介入之下，中國的專利申請會逐漸迎頭趕上。

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