量子计算作为一项拥有光明前景但又复杂艰深的技术，因其具有超凡的信息处理能力被寄予厚望。本文通过对该技术领域的专利进行检索（检索结果截止日期为2022年10月），从以下三个维度对该技术领域的发展现状进行解读：
图1 全球申请人排名在全球范围内，美国公司IBM在量子计算领域的专利申请数量位居第一，遥遥领先于其他申请人；第二、三名分别为谷歌和英特尔。IBM在纽约的研究中心设有量子计算小组。该研究组的目标是通过建立可以扩展到更大尺寸的量子电路设计来克服量子系统的某些限制。IBM于2019年初推出了一款名为“IBM Q System One”的20比特量子计算系统，用户可以通过云端访问该系统。埃克森美孚和欧洲核子研究中心利用该量子服务研究财务数据、物流和风险，一些非洲大学使用IBM Q来进行药物研究和开发，采矿以及自然资源管理。当前IBM的量子芯片“鱼鹰”芯片（Osprey chip）已含433个量子比特，并计划于2025年推出超4000个量子比特的系统。
中科院是量子计算领域专利申请量排名前十的唯一一家科研院所，也是唯一一家中国权利人。中科院上海技术物理研究所与中科大合作，构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。这是继光量子计算原型机“九章”后，我国在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”里程碑。
可以看出，当前量子计算领域的引领者主要为美国企业。在申请人排名中包含前三名在内共有4家美国企业，日本申请人共4家，中国申请人1家以及加拿大申请人1家。其中，日本申请人虽然较多，但其专利主要涉及与通信相关的量子计算，与量子计算机相关的软硬件技术仍不及美国、中国和加拿大，目前日本第一台国产量子计算机于今年3月问世。加拿大虽然仅有一家公司进入前十，但该申请人D-Wave是量子计算系统、软件和服务领域的领导者，也是唯一一家同时构建退火和门模型量子计算机的供应商，其Advantage量子计算机拥有5000多个量子位和高度连接的芯片拓扑结构Pegasus。
图2 量子计算相关专利申请趋势1、技术萌芽期（2010年前）
早在上世纪八十年代量子计算概念被提出后，该技术即受到研究人员的关注，1999年东京大学的中村泰信和东京理工大学的蔡兆申证明了超导电路可以用作量子比特，2002年美国发布了第一版量子计算路线图。在该阶段内，相关专利主要涉及可应用于量子计算机的具体零部件，如半导体器件和量子阱器件等。此外还涉及与加密相关的量子计算。但是由于量子计算的复杂性和难以精密操控的特性，使得该技术在初期发展十分缓慢，在2010年前全球的相关专利总量仍不及1000件。
2、缓慢发展期（2010年-2015年）
在这一时期，随着之前研究的逐渐积累，量子计算的相关专利数量开始明显增加，该技术逐渐实现落地和产品化：2011年D-Wave公司推出首台商用量子计算机；2014年科维理纳米科学研究所的物理学家们以100%的准确率在相隔约3米的两个量子比特之间完成信息传送。该阶段内的相关专利涉及量子计算相关器件、量子纠错、量子退火、量子计算方法等多维度技术。
3、技术爆发期（2015年至今）
自2015年至2020年，全球和中国的量子计算相关专利数量均迅速上升。在该阶段内各国均纷纷加大在该领域的研发力度和投入，以及出台相应的鼓励政策。此外，以美国为首的科技强国不断扩大国家间合作覆盖面，量子信息成为国际交流的热门资源。
同时可以看出，中国在量子技术领域高速发展，年申请量由2003年占全球的5.8%，至2010年的11.6%，直至2020年的27.8%，足以看出中国在量子计算领域的发展速度之快。2015年至今申请的量子计算相关专利除涉及之前重点关注的硬件问题外，还涉及了量子云平台、量子计算器件优化和量子计算软件等技术。
综上，可以看出量子计算技术目前正处于高速发展阶段，各国对于该技术领域的发展越来越重视，政策和资源上的扶持力度也在不断加大。同时当前量子计算领域的技术不断获得突破，说明该领域仍存在着很大的发展空间和应用前景。因此，未来量子计算相关的专利数量还将持续增长。
量子计算机根据功能划分，可分为专用型量子计算机与通用型量子计算机，专用型量子计算机用于解决特定问题（如优化问题），而通用型量子计算机支持编写基于通用逻辑门的算法程序，应用范围更广泛。目前能够实现通用量子计算的量子计算机只有离子阱和超导两种，专用型量子计算机主要有光量子计算机和量子退火机。
1、超导
图3 超导量子计算机
（来源：本源量子）
超导量子计算是目前研究最为火热，也是最具希望的候选者之一。它的核心目标是增加“可操纵”的量子比特数量，通过提升操纵精度来实现落地应用。其优势在于量子比特可控性强、拓展性好、可依托现有成熟的集成电路工艺。劣势在于超导量子比特所需环境十分苛刻，必须在接近绝对零度的真空环境下运行。
超导量子计算机中的量子比特可以采用超导体的电荷、相位和磁通量三种方式来形成，目前较为常用的是电荷(transmon)，IBM与Google的53位比特量子计算机皆采取此种技术。同时IBM与Google在该领域布局了相关专利，如IBM的专利CN110383485A。国内中科院、中科大、本源量子、浙江大学等在此技术上也均有布局，如本源量子的专利CN111626426A。
2、离子阱
图4 离子阱量子计算工程机外观图
（来源：启科量子）
离子阱的原理是利用电荷与磁场间所产生的交互作用力约束带电粒子，使其行为得到控制。两种最常见的离子阱类型是Penning阱：通过电场和磁场的组合形成电势；以及Paul阱：通过静态和振荡电场的组合形成电势。离子阱量子计算机需要整合许多不同领域的技术：真空、激光和光学系统、射频和微波技术，以及相干电子控制。其优势在于相干时间较长、量子比特门保真度较高、状态制备和读出较为直接以及量子比特可重复性高。
2018年之前，离子阱量子计算领域的代表仅IonQ一家，与超导量子领域百家争鸣的情形相比，势单力薄。但从2020年开始，霍尼韦尔的离子阱量子计算机在量子体积（QV）这一指标上领先全球。2023年国内首台由启科量子研制的模块化离子阱量子计算工程机“天算1号”横空出世，实现该领域0的突破。启科量子在离子阱领域布局专利始于2021年，到2022年底共申请了数十项相关专利。目前国内除启科量子外，中科院、华为、百度、国仪量子等均在该领域布局了相关专利。
3、光量子
图5 高性能类忆阻器三维光量子计算芯片系统示意图
（来源：图灵量子）
光量子计算中是将光子当成量子比特。光子有三个性质可以构成量子状态：自旋、偏振和路径。以路径为例：在量子计算中的光源都是单光子，单一光子采取路径A就不会再走路径B，反之亦然。然而在未量测之前我们无法得知光子采取哪一条路径，这就是两种状态的叠加。
光量子技术具有量子比特相干时间长、操控简单、与光纤和集成光学技术相容，拓展性好。劣势就在于很难小型化，量子比特之间逻辑操作困难，无法进行编程。从这一点上来看，光量子技术难以发展为通用量子计算机。在国内，中科大是最早在该领域取得成果的创新主体，其研制的“九章”系列量子计算原型机仍在不断优化，由最初的72个光子已发展至113个光子。图灵量子是我国率先开展光量子计算领域研究的公司，其于2022年开始在光量子计算领域布局专利。目前图灵量子也已发布国内首个商用科研级光量子计算机。
4、量子退火
“退火”本质上是一种将金属缓慢加热到一定温度并保持足够时间，然后以适宜速度冷却的金属热处理工艺。而“模拟退火”“量子退火”则是解决组合优化等数学计算中的非优解问题。量子退火先从权重相同的所有可能状态（候选状态）的物理系统的量子叠加态开始运行，按照含时薛定谔方程开始量子演化。根据横向场的时间依赖强度，在不同的状态之间产生量子穿隧，使得所有候选状态不断改变，实现量子并行性。当横向场最终被关闭的时候，预期系统就已得到原优化问题的解，也就是到达相对应的经典伊辛模型(Ising Model)基态。
图6 量子退火
量子退火机是最早实现商用化的量子计算机，其领域的龙头D-wave早在2007年即推出首款量子计算机，目前已与众多全球知名企业、研究机构达成合作。D-wave不仅布局了量子退火机的软硬件相关技术的专利，而且也布局了一部分利用量子退火机进行实际应用的专利。
