量子通信中的探測技術(shù)專利分析

呂淼?王剛

摘 要：通過對量子通信中的探測技術(shù)進(jìn)行專利分析，梳理該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埖陌l(fā)展趨勢和主要申請地域，并對在華申請情況進(jìn)行重點(diǎn)分析，從申請趨勢、主要申請人、重點(diǎn)專利等方面進(jìn)行闡述，從專利數(shù)據(jù)中挖掘研發(fā)實(shí)體能夠得到的相關(guān)啟示。

關(guān)鍵詞：量子通信;探測;專利;技術(shù)分析

中圖分類號：TN918;G306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-0-03

Patent Analysis of Detection Technology in Quantum Communication

LYU Miao WANG Gang

（Patent Examination Cooperation Beijing Center， State Intellectual Property Office， Beijing 100160）

Abstract： Through the patent analysis of the detection technology in quantum communication， this paper combs the development trend and main application regions of patent applications in this technology field. Focusing on the application in China， this paper analyzes the application trend， main applicants and key patents， and excavates the relevant enlightenment that the R & D entity can get from the patent data.

Keywords： quantum communication;detection;patent;technical analysis

量子信息技術(shù)是量子力學(xué)與信息科學(xué)融合的新興交叉學(xué)科，它的誕生標(biāo)志著人類社會(huì)將從經(jīng)典技術(shù)邁進(jìn)到量子技術(shù)的新時(shí)代[1]。量子通信技術(shù)是量子信息領(lǐng)域的重要分支，量子通信最重要的兩個(gè)應(yīng)用是量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，QKD）和量子隱形傳態(tài)。量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)均包括單光子探測器[2]。目前，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的檢測采用單光子探測器。單光子探測器包括紅外單光子探測器、門控型單光子探測器、上轉(zhuǎn)換單光子探測器和超導(dǎo)單光子探測器等類型[3-5]。為了適應(yīng)極弱光探測的需要，如何降低探測器的溫度來提高探測器的性能是研究的熱點(diǎn);在探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，如何減小探測器體積、降低接線和安裝復(fù)雜度、降低維護(hù)成本是研究的熱點(diǎn);為了避免攻擊者直接攻擊并控制攜帶信息的單光子探測器，如何對攻擊進(jìn)行檢測和保護(hù)是單光子探測器的另一個(gè)研究重點(diǎn)。

1 全球?qū)＠治?/p>

對全球的量子通信探測技術(shù)專利申請情況進(jìn)行分析，在檢索系統(tǒng)中對該技術(shù)進(jìn)行檢索，獲得該技術(shù)在全球的專利申請趨勢，如圖1所示。

2000年以前探測技術(shù)的專利申請量很少，在2000年后申請量開始快速增長;2000—2010年申請量進(jìn)入穩(wěn)定期，每年均有一定量的申請，但申請量均未超過20件;2011年至今進(jìn)入飛速增長期，至2019年達(dá)到近70件的年申請量;2020年和2021年申請量有所下降，可能與部分申請尚未公開有關(guān)?？梢?，檢測技術(shù)經(jīng)過前期的逐步發(fā)展進(jìn)入目前的快速發(fā)展期。實(shí)際上，在2010年后，歐盟、美國和中國都相繼推出了量子技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，均對量子技術(shù)給予了高度重視，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

對探測技術(shù)的全球?qū)＠瓌?chuàng)區(qū)域進(jìn)行分析，可以得出該技術(shù)主要由哪些區(qū)域的申請人進(jìn)行專利申請。如圖2所示，探測技術(shù)的全球?qū)＠瓌?chuàng)區(qū)域大部分在中國，占65%;其次是美國，占15%;日本排名第三，為11%，領(lǐng)先于歐洲和韓國;其他所有區(qū)域占比僅為1%?？梢姡袊谠摷夹g(shù)領(lǐng)域的專利申請中占有絕對優(yōu)勢。

2 在華專利分析

經(jīng)過近40年的積累，我國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全球領(lǐng)跑，并且有望擴(kuò)大這一優(yōu)勢。

圖3是涉及量子通信中檢測技術(shù)的在華專利申請量逐年分布趨勢圖。從圖3可以看出，檢測技術(shù)2000年以前在華沒有專利申請，2002年開始有零星的專利申請，2014年開始進(jìn)入快速增長期，2019年達(dá)到最高申請量（近60件），2020年和2021年申請量有所下降，與部分申請尚未公開有關(guān)。

如圖4所示，量子信息技術(shù)在華專利申請中，前10名申請人均為來自中國的創(chuàng)新主體，其中包括啟科量子、科大國盾、中創(chuàng)為南京和問天量子4家以量子技術(shù)為核心的公司，南京大學(xué)、中國科技大學(xué)、清華大學(xué)和華南師范大學(xué)4所高校以及上海微系統(tǒng)所和濟(jì)南量子研究院2所研究機(jī)構(gòu)也展示了中國在量子信息領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力?？拼髧芎蛦柼炝孔拥膭?chuàng)始團(tuán)隊(duì)正是來自中國科技大學(xué)。

量子通信中的探測技術(shù)分為單光子探測器設(shè)計(jì)、溫度控制、器件封裝及攻擊保護(hù)等幾個(gè)方面。單光子探測器設(shè)計(jì)包括紅外單光子探測器、門控型單光子探測器、上轉(zhuǎn)換單光子探測器和超導(dǎo)單光子探測器等，分別選取幾種單光子探測器的典型專利進(jìn)行說明。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于2017年申請了《一種雪崩信號甄別方法和裝置、紅外單光子探測器》（CN106940221A），公開了一種雪崩信號甄別方法和裝置以及紅外單光子探測器。所述雪崩信號甄別方法通過對濾波器輸出濾波后的雪崩信號進(jìn)行寬度甄別，預(yù)設(shè)脈沖寬度閾值，通過比較將小于或等于脈沖寬度閾值的信號保留，大于脈沖寬度閾值的信號剔除。在保持探測效率基本不變的情況下，極大地降低了后脈沖出現(xiàn)概率，從而獲得具有極低后脈沖概率的高速紅外單光子探測器。

國開啟科量子技術(shù)有限公司在2021年申請的《高速正弦門控單光子探測器》（CN113405677A）中公開了一種高速正弦門控單光子探測器，涉及雪崩脈沖電信號探測技術(shù)領(lǐng)域，包括探測電路和參考電路。高速正弦門控單光子探測器能夠從探測電路產(chǎn)生的噪聲信號中提取雪崩脈沖電信號，探測電路與參考電路為并聯(lián)關(guān)系，能夠有效保證信號完整性，提高了信噪比。

濟(jì)南量子技術(shù)研究院于2021年申請了《一種級聯(lián)PPLN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及高效的上轉(zhuǎn)換單光子探測器》（CN213843583U），公開了一種級聯(lián)PPLN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及利用該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高效的上轉(zhuǎn)換單光子探測器。該級聯(lián)PPLN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以包括第一級波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和第二級波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。借助這種級聯(lián)PPLN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以以簡單緊湊的結(jié)構(gòu)在硅探測器的高探測效率區(qū)域高效探測信號光。

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所于2021年申請了《微納光纖-波導(dǎo)-超導(dǎo)納米線單光子探測器及制備方法》（CN113204075A），提供一種微納光纖-波導(dǎo)-超導(dǎo)納米線單光子探測器及制備方法。固定于V形槽的微納光纖可以和波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高精度的光耦合對準(zhǔn)，并使微納光纖由粗變細(xì)的過渡段懸空，防止光向襯底的泄露，進(jìn)而減少光傳輸過程的損耗。波導(dǎo)型超導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)可以在片上實(shí)現(xiàn)對光的完全吸收。彎角波導(dǎo)設(shè)計(jì)可使微納光纖-波導(dǎo)的光耦合區(qū)域和波導(dǎo)型超導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)的光探測區(qū)域完全分離開，可有效減少沿光纖傳播的背景輻射導(dǎo)致的暗計(jì)數(shù)，降低背景暗計(jì)數(shù)對光探測的影響。

單光子探測器通常采用雪崩光電二極管，而應(yīng)用于單光子探測器的雪崩光電二極管需要在-50～-40 ℃的低溫下工作。北京中創(chuàng)為南京量子通信技術(shù)有限公司于2020年申請了《一種單光子探測器及其制冷保溫裝置》（CN210719421U），公開了一種單光子探測器及其制冷保溫裝置。制冷保溫裝置包括固定模塊、半導(dǎo)體制冷器、壓板、保溫殼體、保溫殼蓋、第一密封圈、第二密封圈以及散熱器。本專利制冷保溫裝置制冷和保溫效果好、體積小。

量子通信領(lǐng)域使用的單光子探測器的殼體是制冷盒，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部一般要求做氣密處理。如何進(jìn)行合理封裝來保證氣密性也是一個(gè)研究重點(diǎn)。北京中創(chuàng)為南京量子通信技術(shù)有限公司于2019年申請了《一種單光子探測器殼體封膠固化工裝》（CN209131844U），公開了一種單光子探測器殼體封膠固化工裝，包括固定連接在一起構(gòu)成框式結(jié)構(gòu)的側(cè)支撐板、底面支撐板和兩個(gè)端面支撐板。側(cè)支撐板、底面支撐板和兩個(gè)端面支撐板均與水平面垂直設(shè)置，框式結(jié)構(gòu)內(nèi)固定設(shè)有與水平面平行的底板，側(cè)支撐板和底面支撐板間隔設(shè)置，兩個(gè)端面支撐板間隔設(shè)置，側(cè)支撐板上邊緣設(shè)有高于底板的擋沿。本專利的工裝能對探測器殼體下部的移動(dòng)進(jìn)行限定，避免光纖與其他物件干涉。

科大國盾量子技術(shù)股份有限公司于2020年申請了《一種集成化單光子探測器組件》（CN112097899A），公開了一種集成化單光子探測器組件，包括基板和溫控芯片以及多功能集成芯片。溫控芯片包括TEC芯片，多功能集成芯片集成窄脈沖處理模塊、雪崩信號甄別模塊和雪崩信號符合模塊，置于TEC芯片上方。窄脈沖處理模塊與雪崩信號符合模塊連接，雪崩信號符合模塊與雪崩信號甄別模塊連接。本發(fā)明具有電路所占空間小、生產(chǎn)制造難度小以及節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)。

隨著量子密鑰通信的不斷進(jìn)步，攻擊方案也越來越多，如何對攻擊進(jìn)行檢測和保護(hù)是單光子探測器的一個(gè)研究重點(diǎn)。

安徽問天量子科技股份有限公司于2018年申請了《單光子探測器探測致盲攻擊的監(jiān)測裝置與方法》（CN107689829A），公開了一種單光子探測器探測致盲攻擊的監(jiān)測裝置。溫度監(jiān)測模塊用于監(jiān)測單光子探測器光敏元件的工作溫度;電壓監(jiān)測模塊用于監(jiān)測單光子探測器光敏元件的工作電壓和甄別閾值電壓;電流監(jiān)測模塊用于監(jiān)測流過單光子探測器光敏元件的光電流;光電流可通過電流表進(jìn)行監(jiān)測，也可以通過對串聯(lián)電阻進(jìn)行電壓采樣進(jìn)行監(jiān)測;參數(shù)監(jiān)測模塊用于將實(shí)時(shí)指標(biāo)數(shù)據(jù)與參考指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。本發(fā)明可有效監(jiān)測目前已知的各種致盲攻擊方案，發(fā)現(xiàn)致盲攻擊后可進(jìn)行報(bào)警、終止密鑰分配，保障QKD系統(tǒng)的安全。

國開啟科量子技術(shù)有限公司于2020年申請了《單光子探測器強(qiáng)光攻擊檢測與保護(hù)電路方法及裝置》（CN112104427A）。本發(fā)明提供單光子探測器強(qiáng)光攻擊檢測與保護(hù)電路方法及裝置，通過比較的方式實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)光攻擊的有效判定，無須根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算APD偏流值，通過增設(shè)反饋鏈路能夠根據(jù)光纖鏈路距離變化自適應(yīng)調(diào)整參考電壓，從而保持對強(qiáng)光攻擊的有效檢測，避免漏檢測導(dǎo)致密鑰信號被竊取。

3 結(jié)語

探測技術(shù)作為量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，中國在該技術(shù)申請量上遙遙領(lǐng)先，超過了全球其他區(qū)域申請量的總和。該技術(shù)領(lǐng)域的主要在華申請人均為中國申請人，既有高校研究所，也有啟科量子、科大國盾、中創(chuàng)為南京和問天量子等以量子技術(shù)為核心的公司，表明我國在該領(lǐng)域既有前沿研究，也有一定的產(chǎn)業(yè)化。中國的量子通信企業(yè)要抓住發(fā)展機(jī)遇，強(qiáng)化知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，加強(qiáng)專利的海外布局，加深與研究機(jī)構(gòu)的合作，保持優(yōu)勢，不斷提升技術(shù)競爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡笑天，楊洋.我國量子通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢及實(shí)踐思考[J].全球科技經(jīng)濟(jì)瞭望，2019（4）：26-32.

[2]秦曉娟，史信榮，王金東，等.單光子探測器性能對量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的影響[J].強(qiáng)激光與粒子束，2010（7）：1661-1664.

[3]尤立星，張臘寶，史生才，等.高性能單光子探測技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2020（1）：25-29.

[4]白鵬，張?jiān)罗?，沈文?半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報(bào)，2018（22）：63-78.

[5]尤立星.超導(dǎo)納米線單光子探測現(xiàn)狀與展望[J].紅外與激光工程，2018（12）：9-14.