磁通超导量子比特专利技术综述

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摘要：随着半导体技术在硬件层面逐渐接近瓶颈，业界对新的计算技术提出了更迫切的需求，量子计算随之逐渐进入公众和行业的视野。理论上，能够实现量子计算的体系有很多，而目前比较领先甚至于已经实现初步商用化的量子计算体系主要是基于磁通超导量子比特的体系。因此，本文针对磁通超导量子比特的国内外专利申请，对专利申请量、申请人分布、技术分支等方面，进行了较为全面的专利技术分析。专利申请是在DWPI、SIPOABS、CNABS等专利文献数据库中，利用相关的专利国际分类号、本领域关键词等手段进行的检索和数据分析。本文能够给相关领域的学者和企业提供专利申请层面的参考。

关键词：专利申请;磁通超导量子比特

中图分类号：O413 文献标识码：A 文章编号：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 技术概述

随着传统半导体器件高集成度发展逐渐出现瓶颈，器件的集成度和晶体管小型化已经逐渐接近极限，技术不可能超越物理定律而无限制发展，传统的半导体芯片的计算能力和单体器件的性能的进步空间已经逐渐消失。因此，许多人早已将注意力放在了开拓新的计算技术。

1982年Richard Feynman 提出利用量子计算机来模拟研究量子体系的想法，1985年David Deutsch提出了量子图灵机的普适量子计算机模型，为人们打开了计算机技术发展的新思路，量子比特[1，2，3，，54]的概念也逐渐出现在人们的视野中。相比基于二进制0和1数据量的传统的半导体晶体管/比特，基于量子力学基本原理的量子比特可以表达为α"0>+β|1>的叠加态，理论上参数α、β只要满足归一化条件，可以取任意值，这意味着，单个量子比特的数据处理能力可以在理论上做到无穷多;因此，如果能够实现稳定可靠的量子计算，数据处理能力在理论上可以做到无穷多，即便考虑到现实中对量子态的处理精度无法完全理想化，具有多个量子比特耦合的量子计算机的实际处理能力也可以做到远远超过传统半导体芯片，并且完全不受器件尺寸的约束。

在科研领域，针对量子计算的研究已经发展了三十多年，理论上有多种体系和途径可以实现量子计算，例如量子点体系、冷原子体系、量子霍尔态体系、超导量子器件体系等，而其中，超导量子器件体系是目前的唯一成功实现了稳定的量子计算的体系，并且超导量子器件完全可以利用现有的半导体加工技术进行器件的加工制造，从而制备相关的功能器件（即量子比特），因此受到了更多的关注。而针对超导量子器件体系，在理论上可以根据其工作原理细分为电荷量子比特[1]、相位量子比特[2-3]和磁通量子比特[4-5]，这其中，磁通量自比特是最稳定且已经实现了量子计算的一种器件，并且近年来也由各大主流公司和科研机构实现了基于磁通量子比特的可商用化的量子计算机。

本文针对磁通超导量子比特的专利申请进行了分析。本文引用的专利数据是在DWPI、SIPOABS、CNABS等數据库进行检索的，专利分类号使用H01L、G06N，关键词为：量子计算、量子比特、超导、超导量子干涉器、约瑟夫森结、磁通以及其相关英文词等。

2 专利现状分析

经检索，截止到2018年底，已公开的全球范围内的相关专利申请356件，其中在中国的专利申请共55件。图1为磁通超导量子比特全球/中国专利申请趋势图。

由图1可以看出，在全球范围内，专利申请从1999年开始出现，到2011年前后，专利申请量比较平稳，但是数量并不多，直至2012年开始，专利申请量开始加速增长。量子计算领域成为科研热点也已经多年，大量的学术论文不断涌现，但是相关的专利申请量则并不多。如业内人员了解的是，2009年前后，理论物理学家A Kitaev、M Freedman、Das Sarma等人开始受到美国微软（Microsoft）公司支持，大力研发量子计算机理论模型;2014年美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的J Martins全实验组被收入美国谷歌（Google）公司;由此，世界范围内的计算机、互联网巨头企业开始发力布局量子计算领域，致使该领域开始成为竞争焦点，专利申请量才开始出现明显增长。需要注意的是，图1中2017年前后的专利申请量呈下降趋势的原因是，各个国家的专利制度对专利申请的保密时间有要求，近年来申请的专利并未向公众公开，因此无法纳入统计。

而该领域在中国国内的专利申请量虽然从2014年后开始出现增长，但是整体数量仍然非常少，总量也不过区区数十件，并且其中大多为国外申请人，国内申请人在该领域的专利重视程度明显不足。不过近两年来阿里巴巴、腾讯、华为等企业开始纷纷与国内科研院所合作，可预见的是，企业力量的介入能够促进该领域国内专利申请量的增长。

图2为专利申请人国别分布图，可以看出，美国专利申请占据了本领域专利申请的一半以上;原因也显而易见，美国高校、研究所在本领域的积累已经有数十年，加之美国企业较早与高校、科研院所合作，专利布局意识较强;并且传统的半导体芯片/计算机巨头企业，如IBM、Intel、Microsoft等，本就是美国企业，也较早地进入到了磁通超导量子比特领域的研究和商用化进程中。加拿大作为第二申请人来源国，主要是由于其本土的D-WAVE SYSTEMS公司的大量专利申请。此外，日本在量子计算领域也表现比较突出，在下文内容中可以看到，许多里程碑式的专利申请也都来自日本申请人，因此，日本在本领域的专利申请也占据比较重要的地位。相比之下，中国申请人则十分稀少。

图3为本领域的重要申请人的申请量统计表，其中统计了申请量多于5件的申请人。其中，加拿大的D-WAVE SYSTEMS公司申请量占比较大，其基本上支撑了加拿大全部在本领域的专利申请。从图3中也可以看出，美国的申请人实力较为强大，其中IBM、Microsoft、Google、Intel等企业，是公众所熟知的计算机/互联网巨头企业;另一个重要的美国申请人是Northrop Grumman Systems公司，其本身为一家军工企业，美军的B2轰炸机即为其设计生产，该公司也涉足了磁通超导量子比特领域，但其并未在中国申请任何专利;从这家企业的专利申请可以看出，美国在军事和国防方面，也对本领域十分重视。日本的NEC、日本电报电话公司等都是该领域内较早布局且较有实力的公司。

从图中不难看出，没有申请量多于5件的中国专利申请人，也体现出中国的专利申请人也非常少，不过随着近些年来国家对相关领域科研的重视，一大批优秀的科学家也投入到了本领域，如中科大的潘建伟院士、郭光灿院士、朱晓波教授，中国科学院的吕力研究员、郑东宁研究员，清华大学的王浩华教授、孙麓岩教授等，加之阿里巴巴、腾讯等独角兽企业的投入，中国的量子计算發展迅速。在专利申请和专利布局方面，中国的相关人士的专利保护意识还有待加强，但相信在企业力量的注入之下，很快将会有大量的中国专利申请出现。

3 技术发展分析

3.1 技术分布

为了实现基于磁通超导量子比特的量子计算机，基本上可以把本领域的技术分为四大分支：（1）基本器件结构，实现量子计算机的物理器件基础，不同的器件结构会影响器件的诸多性能;（2）耦合，包括用于实现量子比特之间的量子态的耦合，以及用于实现量子比特与其他电路元件之间的耦合，由此实现整个信息的操作和读写;（3）新操控方式，在上文中提到，基于量子力学基本原理的量子比特处于一种α|0>+β|1>的叠加态，因此，对上述量子态的操纵，才是实现海量数据处理能力的关键;（4）多器件布局，由于现实手段的局限，单个量子比特的计算能力远不能实现其理论上的能力，因此需要多个量子比特之间的共通作用，而多个量子比特之间的布局，以及量子比特与谐振腔、放大电路之间的布局，同样影响着量子计算机的性能。

图4所示为本领域的技术分支构成图，其中可以看出，基本器件结构和耦合这两个方面占据了整个专利申请量的绝大部分，原因不难理解：因为基本器件结构和耦合这两方面，是实现量子计算的基础;并且量子比特的工作条件相当苛刻，而且量子态非常不稳定，例如人们所了解的薛定谔的猫，任何探测量子态的操作，都会造成量子纠缠态的快速塌缩（即变为唯一态），量子计算的基本纠缠/相干条件也就不复存在，因此，不断地追求稳定的长时间的量子态，一致以来都是本领域追求的目标，基于此，能够实现上述条件基本器件结构和耦合也是本领域的研究重点。

图5为本领域的重要申请人的技术分布情况。图中同样可以看出，基本器件结构和耦合占据了各申请人专利申请量的重要比重。进一步的，传统的半导体制造企业，如Intel，其本身积累了大量的器件制造技术，因此，其专利申请中的基本器件结够占据了主要地位;而互联网/计算机企业，如谷歌/微软，除了在基本器件结构中涉及较高比重的申请，在操控方式和耦合等方面，也具有较大的申请量;而诸如IBM、Northrop Grumman、Nippon Telegraph and Telephone等公司，其本身历史上就涉猎诸多研究领域，因此其专利申请的技术分布相对比较平均。

3.2 技术功效

本领域的专利申请主要所实现的技术效果，主要可以分为以下几个方面。

（1）新结构/新材料：为了实现稳定的可操控的量子态而提出新的量子比特的器件结构或者运用新材料。

（2）增加相干时间：如上文提到量子计算的基础是一种对量子叠加态的操作，而量子态的稳定存在时间，通常上也被指代为整个系统的相干时间。简单地理解，可以认为相干时间是稳定处理量子态所需要的时间，超过这个时间，量子态之间不再相互关联，量子态将演化为一种塌缩的固定状态或其他量子态，之前所做的操作也变得没有意义;而这个时间非常短，通常以毫秒甚至微秒为单位计量，因此，增加器件/系统的相干时间，对于量子计算的可靠性而言非常重要。

（3）提高稳定性：量子比特工作所需的条件非常苛刻，例如工作温度需要接近绝对零度，并且量子态非常容易受到环境扰动而消失，因此提高器件的稳定性，也是本领域追求的一个重要方面。

（4）降低噪音：量子态的信号强度相对比较弱，也极易受外界环境干扰，因此，在实现量子计算时，需要尽可能减小不需要的信号干扰，即噪声。

（5）提高可操控性：量子态不稳定，并且根据量子力学基本原理，任何测量或探测量子态的操作，都会造成量子态的塌缩;而量子比特中信息的传递、复制和处理本身又是一种对量子态的探测或改变，本身存在一定的矛盾性。同时，从某些角度而言，稳定的量子态也是不容易得到的，需要外界条件（如磁场）的精确调控。因此，高效的产生量子态，并且在稳定的相干时间内能够实现有效地、稳定地操作量子比特，也非常重要。

（6）高速响应：量子计算机通常需要复杂的耦合体系，能够在相当短的相干时间内完成复杂的计算，需要整个系统响应速度足够快、足够准确。

（7）电路优化：量子计算机本身涉及诸多电路结构，同样需要对电路进行适应性和有针对性的优化。

图6为对本领域专利分析的技术功效图，图中展示了技术分支（横轴）与技术效果（纵轴）之间的专利数据统计，从中也可以看出不同技术分支所侧重解决的技术问题和实现的技术效果。在现阶段，本领域相对比较重视的技术问题是如何增加相干时间、期间稳定性，减少噪声，因此也对应地印证了上文提到的在基本器件结构和耦合这两方面集中了较多的专利申请量。

3.3 技术路线

图7为磁通超导量子比特的技术路线图，其中四种颜色的框图内对应图例中的四个技术分支。

1999年，本领域的第一件专利申请由美国IBM公司提出，其基于s波超导和d波超导的对称性不同，构造了由上述两种超导体构成的超导量子干涉器，实现了一种相位特殊的磁通超导量子比特结构。

2000年，基于与IBM公司的相关专利，加拿大的D-WAVE SYSTEMS公司提出了一种利用d波超导自身晶向相位差的超导量子干涉器/磁通超导量子比特。同年，日本NEC公司提出了一种用于读取基于多结区的超导量子干涉器（一种量子比特）的耦合结构。

2003年，日本的研究机构NIIT和JAST，提出了一种对多个量子比特构成的量子芯片的操控方式。这里需要注意的是，多个量子比特耦合成的多量子比特体系，早已被研究多年，但并未被申请专利。

2009年，美国IBM公司提出了一种光-超导耦合的量子中继方式，实现了通过光探测量子比特中的量子态的新方法。

2009—2010年，美国微软（Microsoft）公司与A Kiteav教授合作，首次提出了一种具有拓扑保护的拓扑超导量子比特的构想模型。这里需要解释的是，传统的基于超导量子干涉器的磁通超导量子比特，会随着时间演化而退相干，即在时间上是不稳定的，相关的量子态操控也是在时间域上完成的;而拓扑保护的拓扑超导量子比特，并不会随着时间而发生任何变化，其会在空间上产生不同的量子纠缠态，即针对其是在空间域上进行操作。可见，拓扑保护的超导量子比特，具有很高的时间稳定性，当然，在空间操作上具有一定的难度，即便到目前为止，也并未能够有效地实现真正的量子计算。

2012年，美国微软（Microsoft）公司与日本的研究机构NIMS，几乎同时提出了使用Majorana费米子体系构成的拓扑量子比特结构。这里需要解释的是，Majorana费米子在凝聚态物理领域，是近十年来人们关注的大热点，其具有拓扑保护的特性，能够实现基于非阿贝尔统计的操作，是实现空间上的量子态纠缠（量子计算）拓扑超导量子比特的最好的体系之一，因此，也受到了诸如微软等公司的關注，相关专利申请量也从此开始增加。同年，美国IBM公司提出了一种具有特殊谐振腔的多量子比特耦合的量子芯片，并且几乎在同时，实现了多量子比特的量子计算的初步商用化。

2014年，美国谷歌（Google）公司全面引入美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的J Martins团队，开始涉及量子计算领域，同年便申请了一种新的多量子比特布局结构的量子芯片专利。

2016年，美国微软（Microsoft）公司提出了一种基于自旋轨道耦合纳米线结构的拓扑超导量子比特结构及其对应地操控方式，并先后提出了两件重要专利申请。

随着近年来的专利技术的演化，可以看出，美国微软（Microsoft）公司引领了新的可能的拓扑超导量子比特潮流，并申请了大量的相关重要专利，但是需要注意的是，时质今日在科研学界也并未真正地实现拓扑超导，因此微软（Microsoft）的专利申请更多的是一种预先性的占领市场。IBM和Google公司则针对原有的已经比较成熟的传统超导量子干涉器构成的量子比特，进行了大量的商用化工作，并且已经取得了显著的成效。

4 总结

本文对磁通超导量子比特的相关技术进行了综述性的分析，针对申请趋势、申请人分布、技术分支、技术功效和技术发展路线进行了比较有针对性的总结。可以看到，以传统巨头企业（如微软、IBM、谷歌）为引领的超导量子比特领域，已经开始逐渐受到巨大的重视，国际上特别是美国，已经给予本领域相当大的投入，并且大力进行专利布局。虽然在技术层面上，本领域还在探索阶段，技术门槛比较高，最优方案也并未尘埃落定，商业效益更远无法实现，但是国际竞争已经非常激烈。相比之下，中国在这一领域的专利布局非常薄弱，还有待进一步的发展和布局。不过有信心的是，在技术层面，中国的科研工作已经步入国际先进行列，不少新的现象和技术也是由中国科研工作者提出，相信在中国企业的支持和介入之下，中国的专利申请会逐渐迎头赶上。

参考文献：

[1] Nakamura Y， Pashkin Y A and Tsai J S， Nature 398 786 1999.

[2] Martinis J M， Nam S and Aumentado J， Phys. Rev. Lett. 89 117901 2002.

[3] Yu Y， Han S Y， Chu X， Chu S and Wang Z， Science 296 889 2002.

[4] Chiorescu I， Nakamura Y， Harmans C J P M and Mooij J E， Science 299 1869 2003

[5] Friedman J R， Patel V， Chen W， Tolpygo S K and Lukens J E， Nature 406 43 2000.