太空科技進入量子科技時代!

  • 「量子」這一名詞近來牽動了科技產業的發展,它驅動了下一世代創新技術的發展,是引導太空、人工智慧、醫療、通訊、半導體等重要變革的先進技術,Google、IBM、Microsoft、Intel等科技大廠積極加入戰場,而這些技術先行者,未來將帶動整體產業鏈參與者的技術蛻變;此外,各國家也積極透過各項舉措推動量子科技的發展,2020年科技部宣布「量子國家隊(Quantum Taiwan)」計畫,建立量子中心,預期5年內投入80億經費,發展量子科技,希冀我國高科技產業得以持續在量子時代中扮演關鍵性角色。

    何謂「量子」科技呢?回溯到19世紀末,科學家們發現傳統的物理理論無法解釋微觀系統,1900年德國物理學家Max Planck博士[1]在解決黑體輻射問題時發現了能量量子(能量的最小單位)[2],爾後多位物理學家開始進行相關研究,1935年愛因斯坦率先在科學文獻中提出了「量子力學」的科學名詞,讓此學門有了正式的稱呼。「量子力學(Quantum mechanics)」主要在研究微觀粒子的運動規律,是一門研究原子、分子、原子核及基本粒子等結構及性質的基礎理論,其與相對論(Theory of relativity)共同構成了現代物理學的理論基礎,後續隨著量子力學擴散至其他科學領域,促使電晶體、積體電路與雷射等發明,也帶動半導體及光電等產業的蓬勃發展。

    1980年代之後,量子科技開始擴大產業創新應用,透過操控個別原子、電子、光子甚至原子核等的量子疊加(Quantum Superposition)和量子糾纏(Quantum Entanglement)[3]行為,應用於量子資訊(如:量子電腦、量子演算法等)、量子通訊(如:量子傳輸、量子密鑰等)及量子元件(如:量子感測)等領域,藉由其在各領域之應用,可達到運算速度更快、感測更靈敏精確、資訊傳遞更安全等效用,預期將為現有的科技帶來重大突破,甚至科幻小說《銀河系漫遊指南》中,讓人、宇宙飛行器可以瞬間移動到宇宙任何地方的「量子遙傳」場景即將來臨。

    將量子科技運用於太空領域至今已有20多年歷史,量子科技可用來追蹤和監測遙遠的宇宙飛行器,並解決衛星定位系統(GPS)無法運用於太空的狀況,同時亦可提高太空通訊品質、航行精準度,2016年8月中國大陸發射了世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」(Quantum Experiments at Space Scale),該衛星驗證了一對糾纏光子被傳輸到遠距離下仍可以保持糾纏的狀態,證實可透過量子密鑰網路技術實踐太空量子通訊,讓各國量子科技運用於太空領域之發展進入白熱化。

    在歐洲,歐洲太空總署(European Space Agency,ESA)與歐洲通信衛星公司(Eutelsat)、空中巴士(Airbus)和薩里衛星科技(Surrey Satellite Technology)合作執行量子任務,為下一代通信衛星的發展做好準備;此外,為了掌握全球太空量子科技之專利布局概況,ESA也與歐洲專利局(EPO)、歐洲太空政策研究所(European Space Policy Institute,ESPI)合作,於2021年11月發布了「太空量子科技專利分析報告」。

    在EPO的「太空量子科技專利分析報告」中,主要針對量子科技運用於太空通信安全、時間及傳輸頻率,以及地球感測和觀測等重要技術應用領域進行專利檢索,並聚焦於量子密鑰傳輸(Quantum Key Distribution)、冷原子鐘(Cold Atom Clocks)、冷原子干涉儀(Cold Atom Interferometers)三大重點技術進行專利分析。

    以下將就「太空量子科技專利分析報告」(以下簡稱:EPO分析報告)進行重點報導:

    一、熱烈發展中的量子科技與太空技術

    根據ESPI統計,近10年來太空器發射次數大幅成長,其中2020年由於美國SpaceX公司積極推動星鏈網路服務計畫(mega-constellation),因此該年度全球計有1,266艘太空器發射到外太空,是過去每年平均發射次數的10倍之多(參圖 1),隨著民間機構加入太空工業的發展,加上原本已積極投資之學術機構,各種科學、軍事和商業活動積極發展,應用領域從太空探索、載人太空船、通訊和衛星導航均含括在內。

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        • 圖 1、太空器發射次數、數量統計

         

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  • 「量子科技」在20世紀後期支撐了半導體業的發展,但隨著量子疊加和量子糾纏等物理特性的運用,讓通訊安全、運算能力與傳感器精準度等技術發展,獲得了全新發展的可行性。量子科技可再細分為以下四個領域:

      • 1.量子通訊:使用光子的量子態和適當協議來提高數據傳輸的安全性。            

      • 2.量子模擬:使用可以控制變數的量子系統,模擬測試不同的量子系統模型。
      • 3.量子運算:利用量子效應來提高運算能力。
      • 4.量子計量與感測:利用相關量子系統的特性及其與環境的相互作用,提高感測的精準度。
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  • 在國家層級上,各國積極投入資金,並推動各項措施,帶動量子科技的基礎與進階應用,這些投資除將產生巨大的經濟價值外,也提高了國家在國防、安全通訊及網路安全上的戰略能力;此外,民間機構積極投入量子運算的發展,無論是全球知名的科技巨擘或新創企業,近10年也大量投入量子科技的研發,量子運算成為各大廠展現技術實力的具體成果。

    隨著量子科技的運用愈來愈成熟,在太空技術運用中,對於定位、導航與定時、衛星重力測量都有明確的成效,故EPO分析報告主要聚焦在量子密鑰傳輸、冷原子鐘、冷原子干涉儀三大技術的專利發展趨勢,各技術之相關應用說明如下:

      • 1.安全通訊:太空「量子密鑰傳輸」和相關技術(例如:糾纏光子源、單光子探測器、量子隨機數產生器)可發揮重要作用。            

      • 2.時間和頻率轉移:新一代「冷原子鐘」可望在太空環境中吸收更多量子,以改進定位、導航和定時應用,達到提高時間和頻率傳輸性能的效果。           
      • 3.地球感測和觀測:太空量子感測器的應用相當多元,目前研發方向以應用於重力測量和大地測量目的的「冷原子干涉儀」為主。其他研究領域尚包括:用於監測頻譜的量子增強射頻或光學信號處理技術,或用於各種風險檢測和預警目的的宇宙飛行器量子雷達。
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  • 二、太空量子科技專利申請趨勢

    針對量子密鑰傳輸、冷原子鐘、冷原子干涉儀三大技術之專利申請概況情形,EPO分析報告指出,在2001~2020年間,EPO受理有關量子密鑰傳輸、冷原子鐘、冷原子干涉儀之專利申請共計5,654件(圖 2),其中與太空領域相關者占15%(844件)。

    此外,隨著量子科技在太空領域的商業與戰略地位日益提升,過去10年中,專利申請數量暴增,每年提出申請的發明專利件數在短短5年內增長了四倍多,顯示了太空量子科技是一個快速崛起的技術領域,各界投資意願高昂。

        • 圖 2、量子密鑰傳輸、冷原子鐘和冷原子干涉儀專利家族布局概況
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        • 圖 3、太空量子科技專利家族申請趨勢
    1.  

  • 三、「量子密鑰傳輸」技術帶動太空量子科技整體成長

    報告指出,太空量子科技相關專利申請中,以「量子密鑰傳輸」的專利申請最多,占三大太空量子科技技術領域專利申請總量的77.8%,這項技術專利申請件數的大幅度成長,也是過去5年太空量子科技整體專利申請成長的主因。「量子密鑰傳輸」技術的發展,與量子科技應用於安全通訊進行國家邊境管理的趨勢息息相關,也預示著可運用更新的安全加密方法,提高通訊安全性,同時也可強化衛星量子密鑰傳輸網絡的安全性,使量子科技可以在未來的通信網絡和基礎建設中發揮重要作用。

    由圖 4可發現,2001~2020年間,量子密鑰傳輸的專利家族申請件數成長了20倍;此外,透過圖 5我們可知2020年太空領域相關量子密鑰傳輸技術的專利申請,相較2001年則成長了15倍。

  • 圖 4、太空領域三大量子科技:專利家族申請概況
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  • 圖 5、太空量子科技相比2001年專利家族成長率
  • 四、美國、中國大陸及日本是太空量子科技的重要技術發展國家/地區

    根據圖 6,太空量子科技相關之專利申請主要來自美國、中國大陸與日本;歐洲地區則以英國、法國、芬蘭和德國最為活躍,其次還有瑞士、奧地利和荷蘭等國。

  • 圖 6、太空量子科技專利-各申請國之專利家族數統計
  • 此外,從專利申請來源國觀察,可發現各國申請人的專利申請策略有所不同,中國大陸的專利申請人主要以國內申請為主,較少投入全球性的專利布局,在專利申請類型上,中國大陸的申請人經常就相同或類似的發明提交發明專利與實用新型專利,因為這樣的申請方式,使中國大陸的專利申請件數呈現高度成長的狀態。

    另一方面,根據發明人的居住國或受理局所在地進行分析,可看出國際合作的概況,其中隸屬於歐洲專利公約(European Patent Convention,簡稱EPC)的國家,大量參與跨國研發與後續專利申請,由圖 7可看出英國、法國均有此合作模式。

    若分析居住在不同國家的發明人和申請人的專利家族時,則可看到發明人與申請人間的國際合作情形,以美國與英國為例,在圖 7可看出有12名美國申請人僱用居住在英國的發明人,但只有5名英國申請人僱用了美國發明人;換言之,非EPC國家申請人擁有較多含括EPC國家發明人的發明。此外,我們也可從圖 7發現,雖然太空量子科技之主要專利產出並非在歐洲地區,但是部分歐洲發明人利用國際合作亦參與太空量子科技的研發。

  • 圖 7、國際間發明人與申請人合作關聯圖
  • 五、三大太空量子科技技術領域主要申請人

    從圖 8至圖 10可發現中國大陸中國科學院與美國Honeywell公司為太空量子科技的主要申請人,其中中國科學院在量子密鑰傳輸、冷原子干涉儀領域為全球專利申請之首,在冷原子鐘領域則為全球第二,專利布局時間長;Honeywell公司為2010年以後積極參與太空量子科技發展的公司,該公司在冷原子鐘的專利申請量為全球第一、在冷原子干涉儀領域為全球第二。

    此外,太空量子科技主要之技術產出區域與專利申請人大多來自中國大陸、美國,在量子密鑰傳輸領域,來自美國的機構有9家、中國大陸有8家;在冷原子鐘領域,美國機構有9家、中國大陸有3家;在冷原子干涉儀領域,中國大陸有7家、美國有6家。此外,除了中國大陸的中國航天科工集團公司、中國科學院,以及美國的Northrop Grumman、Honeywell公司等在兩個以上技術領域均有專利申請,亦即技術發展範疇較為廣泛以外,大多數參與太空量子科技發展與專利布局的機構,僅專精在其中一項領域進行技術發展,因此三大太空量子科技技術領域的主要申請人有很大的差異。

    此外,根據圖 8至圖 10,部分機構可能基於技術發展投入時間較晚、或是選擇不以專利進行研發成果保護,因此專利申請至近期方有所產出,例如:量子密鑰傳輸領域的中國大陸成都聯安區塊鏈科技公司、中國大陸成都凌光量子科技公司;冷原子鐘領域的中國大陸中國計量科學研究院;冷原子干涉儀領域的中國大陸國防科技大學、美國Coldquanta公司日本航空電子工業;其中大多數中國大陸的專利申請人都屬於近期之技術投資者。另一方面,部分早期投入太空量子科技的專利申請人,近年來專利申請件數有逐漸下滑的情形,例如:量子密鑰傳輸領域的美國Raytheon公司、美國惠普公司,以及冷原子鐘領域的Atomchip Device、瑞士Csem公司等

  • 圖 8、太空相關「量子密鑰傳輸」主要專利申請人
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  • 圖 9、太空相關「冷原子鐘」主要專利申請人
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  • 圖 10、太空相關「冷原子干涉儀」主要專利申請人
  • 六、三大太空量子科技技術領域專利申請趨勢與合作關係

    由圖 11可知,太空量子科技各技術領域之專利申請數量多寡,依序為「量子密鑰傳輸」、「冷原子干涉儀」次之、「冷原子鐘」數量最少;在「量子密鑰傳輸」領域中,又以「光量子通訊」為主,「協議和密鑰管理」、「量子儲存器」分占第二、第三;在「冷原子干涉儀」領域中,以「重力儀和梯度儀」、「陀螺儀」、「加速儀」為主要發展技術;「冷原子鐘」領域則以「光學冷原子鐘」為主。

    • 圖 11、太空量子科技各技術領域專利分布
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            • 1.量子密鑰傳輸   

                     從圖 12中可知,「協議和密鑰管理」的專利申請數量近年來急速增加,是近期主要發展之技術;「光量子通信」專利申請數量也呈現成長的趨勢,顯示此技術仍受到各界重視,投資意願仍高;然而,「量子儲存器」的專利申請相對較少,但近年仍有微幅增加的現象。另一方面,若進一步分析「量子密鑰傳輸」領域的技術合作關係,圖 13顯示了「量子密鑰傳輸」的專利申請人間有許多小型合作網絡,且以國內合作為主,亦即由同一國家的2~3個機構共同進行技術發展與專利申請,跨國合作情形較少。

            • 圖 12、「量子密鑰傳輸」專利家族發展趨勢
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          • 圖 13、「量子密鑰傳輸」專利合作關聯圖
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          • 2.冷原子干涉儀 

                   由圖 14可知,在「冷原子干涉儀」領域,「陀螺儀」專利申請集中於2012年之後,且在2012~2020年間經歷了2波成長,於2020達到申請高峰;「重力儀和梯度儀」自2013年起專利申請量明顯增多,其後每年的專利申請均維持一定件數,在2013年、2020年達到申請的高峰;至於「加速儀」之專利申請件數,長期以來呈上下波動趨勢。

                   觀察圖 15「冷原子干涉儀」領域的申請人合作關係圖,可發現該領域技術由法國政府、學術界和產業界共七個單位組成的集群,共同主導技術的發展;此外,日本學術機構與產業間的合作,則是「冷原子干涉儀」領域的第二大專利產出集群。

          • 圖 14、「冷原子干涉儀」專利家族發展趨勢
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        • 圖 15、「冷原子干涉儀」專利合作關聯圖 
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        • 3.冷原子鐘   

                 太空相關「冷原子鐘」技術可再細分為「冷原子鐘」與「光學冷原子鐘」兩大類。根據圖 16,可發現「冷原子鐘」是主要的技術發展類別,在專利申請表現上「冷原子鐘」、「光學冷原子鐘」目前均呈現持續成長的狀態;值得注意的是,光學冷原子鐘提供了更準確的測量,因此該技術的重要性日益突出。

                 由圖 17「冷原子鐘」領域的專利申請人合作關係圖中可知,目前在跨單位合作上,各國仍以政府機關與學術機構間的合作為主,尚未看到產業界參與其中;另外,法國政府與學術機構間的合作是該技術領域最主要的關連集群。

        • 圖 16、「冷原子鐘」專利家族發展趨勢
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      1. 圖 17、「冷原子鐘」專利合作關聯圖
    • 、結語

「量子科技」可說是21世紀的最新科技之爭,牽動各項先進技術的突破,隨著太空技術之創新發展,從「EPO分析報告」中可以發現,2001至2020年間與太空相關的量子科技專利申請成長率是全球整體專利申請成長率的五倍,專利成長幅度相當可觀。此外,在報告中也可一覽全球太空量子科技專利申請趨勢的幾項重點,包括:

  1. 1.量子科技在太空領域的應用目前正快速成長,在過去五年中,專利申請成長率超過400%。
  2. 2.太空量子科技的專利成長主要由量子密鑰傳輸領域的技術創新所驅動,量子密鑰傳輸之專利申請占太空量子科技整體專利申請量的78%。
  3. 3.儘管量子科技運用於太空領域仍僅占整體量子科技專利申請量的一小部分(約15%),但太空量子科技仍是很大的利基市場。
  4. 4.全球與太空相關量子科技的專利申請主要來自於美國和中國大陸。
  5. 5.量子密鑰傳輸、冷原子鐘和冷原子干涉儀三大技術領域的專利申請,多數並非來自同一申請人,顯示主要參與技術發展的機構,具有高度專業化的特色。

從上述報導中,我們可以看到太空量子科技已如火如荼發展,近年隨著太空科技的發展,由國家資金支持逐漸轉為民間機構共同參與,其中商業化應用與商業利益的發展,正是刺激了相關技術持續創新、商業化應用的關鍵,這樣的刺激下,促使專利申請量的持續上升。在產業面,我們可以看到SpaceX的星鏈網路服務計畫、太空旅行計畫等商業服務的推出,受到全球注目,甚至牽動產業供應鏈的轉型與變化,量子科技與太空科技的結合,前景不可限量,也將是驅動科學、軍事和商業活動的重要創新技術。在太空科技的發展上,我國自1990年代起已部署太空計畫,培育太空人才、培養衛星自製能力,加以我國在半導體、資訊通訊與精密機械等產業在全球具有技術優勢,未來全球太空產業的發展,我國可望成為關鍵要角。

 

資料來源:https://www.epo.org/news-events/news/2021/20211102a.html

 

 

註解: