Quanteninformation

Patente spielen eine wichtige Rolle bei der kommerziellen Nutzung aufstrebender Technologien. Es verwundert daher nicht, dass immer mehr Patente auf dem Gebiet der Quanteninformation (QI) erteilt werden. Die kanadische Firma D-Wave Systems, welche den umstrittenen D-Wave Two Quantencomputerprototypen auf den Markt gebracht hat, verfügt über mehr als 260 Patente. Auch MagiQ, eine der ersten Firmen, die Ausrüstung für quantenkryptographische Kommunikation bereitstellt, verfügt über mehr als 160 Patente. Neben D-Wave Systems und MagiQ gibt es noch viele andere Wettbewerber, die gewaltig in QI-Technologien investieren und die ihre Innovationen durch Patente abzugrenzen versuchen. In diesem Artikel möchte ich die Patentaktivität auf dem Gebiet der QI-Technologien prägnant zusammenfassen. Für Leser, die entweder mit Patenten oder QI-Technologien nicht vertraut sind, stelle ich zwei knappe Einführungen bereit.

Eine kleine Einführung in Patente: Nur technische Erfindungen, Methoden und Ausführungen sind patentierbar, wohingegen wissenschaftliche Entdeckungen, mathematische Methoden, Algorithmen oder Software als solche nicht patentiert werden können. Weitere Kriterien sind Neuheit (also nicht "Stand der Technik"), erfinderische Tätigkeit, gewerbliche Anwendbarkeit und Geheimhaltung der Erfindung bis zur Veröffentlichung des Patents. Patentanmeldungen können entweder bei den nationalen Patentämtern oder bei zwei internationalen Organisationen eingereicht werden, und zwar dem EPA (Europäisches Patentamt) für bis zu 40 europäische Länder und der WIPO (Weltorganisation für geistiges Eigentum) für bis zu 148 Länder. Der Inhalt einer Patentanmeldung wird 18 Monate nach der erstmaligen Einreichung der Öffentlichkeit zugänglich. Es gibt also keine geheime Patente, und man kann sogar nach ihnen googeln! Obwohl Patente die gewerbliche Nutzung der Erfindung in den Ländern verbieten, in denen das Patent erteilt wurde, können sie vom Patentinhaber an Dritte verkauft oder lizenziert werden. Zudem ist die nichtkommerzielle Nutzung immer erlaubt. Patente sind für bis zu 20 Jahre gültig; danach darf jeder die Erfindung nutzen. Patente werden mit Hilfe des IPC (Internationale Patentklassifikation) Codeschema kategorisiert, wobei ein Patent mehrere Codes haben kann. Einige Patentämter nutzen auch das CPC (Kooperative Patentklassifikation) Codeschema, welches im Jahr 2012 vom EPA und US-Patentamt ins Leben gerufen wurde, und darauf abzielt, das IPC zu erweitern. IPC und CPC unterscheiden sind nur geringfügig, und beide Systeme werden regelmäßig aktualisiert, um auf aufstrebende oder sich verändernde Technologien zu reagieren. Für die Ermittlung der auf ein Patent zutreffenden Codes ist der Patentprüfer zuständig.

Eine kleine Einführung in Technologien der Quanteninformation: Das interdisziplinäre Forschungsgebiet der QI besteht aus vielen Teilfeldern mit unterschiedlichem Potenzial für praktische Anwendungen und Fortschritt bei der experimentellen Realisierung. Namhafte Teilfelder sind Quantencomputer, Quantenkryptographie, Quantenteleportation und Quanten-Sensoren & Metrologie. Quantencomputer haben das Potenzial, bestimmte Arten von Berechnungen wie z.B. die Primfaktorzerlegung drastisch zu beschleunigen. Zwar werden wir noch einige Zeit auf voll einsatzfähige Quantencomputer warten müssen, jedoch wurden bereits einfache Demonstrationsversuche erfolgreich realisiert, und der umstrittene D-Wave Two Prototyp ist angeblich in der Lage, sehr spezielle Probleme mittels Quantenphänomene zu lösen. Quantenkryptographie ist vielleicht das meisten ausgereifte Feld. Es hat großes wirtschaftliches Potential (z.B. in der Finanzbranche), und kommerzielle Produkte sind bereits von Startups wie MagiQ und ID Quantique erhältlich. Im Vergleich dazu ist Quantenteleportation recht exotisch. An sich ist es unwahrscheinlich, dass dieses Feld in absehbarer Zukunft wirtschaftliches Potenzial besitzt, vor allem wegen der unüberwindlichen Schwierigkeiten bei der experimentellen Realisierung von Teleportation der Quantenzustände von mehr als ein paar Atomen. Es könnte jedoch als Hilfsverfahren zur Anwendung kommen, z.b. beim Tauschen von Verschränkung ("entanglement swapping"). Schließlich sind Quanten-Sensoren & Metrologie ein pragmatisches Feld, welches darauf abzielt, Quantenverschränkung zur hochpräzisen Messung von Variablen wie Magnetfeldern zu verwenden. Daher ist dieses Feld interessant für praktische Anwendungen in anderen Gebieten, wie der Medizin.

Natürlich können weder Quantenalgorithmen (Shor, Grover, ...) und -protokolle (BB84, E91, SARG04, ...) noch die grundsätzliche Idee eines Quantencomputers (Einweg-, adiabatischer, topologischer, ...) patentiert werden. Was patentiert werden kann und wird, ist die konkrete Umsetzung. Insbesondere müssen Patentanmelder sich entscheiden, mit welchen physikalischen Medien (Laserpulse, optische Gitter, Ionenfallen, NMR, ...) sie arbeiten wollen.

 

Sekundärliteratur

Es gibt bereits etwas Literatur zur Patentaktivität auf dem Gebiet der QI: Das britische Patentamt, IPO (Intellectual Property Office), hat in den Jahren 2013 und 2014 zwei sehr informative Broschüren über Quantentechnologien herausgegeben (verfügbar hier und hier). Darüber hinaus wurde im Jahr 2013 von Winiarczyk et al. eine Publikation namens "Analysis of patent activity in the field of quantum information processing" in der Fachzeitschrift IJQI veröffentlicht (Preprint verfügbar hier).

Im IPO-Bericht von 2013 wird die Analyse in die folgenden drei Kategorien unterteilt: Sichere Quantenkommunikation, Quantencomputer, Quanten-Metrologie & Sensoren. Eine vierte Kategorie, Quantensimulatoren, wurde mangels Patenten nicht detailliert untersucht. Der IPO-Bericht von 2014 untersucht vier leicht abgewandelte Kategorien: Quantentelekommunikation, Quantencomputer, Quanten-Sensoren, Quantenzeitmessung & Atomuhren. Bei der vierten Kategorie handelt es sich zwar eindeutig um eine Quantentechnologie, jedoch hat sie nur wenig mit QI zu tun. Daher werde ich diese Kategorie im Folgenden nicht berücksichtigen.

In der in IJQI erschienenen Publikation werden 523 Patente von 1993 bis 2011 analysiert. Diese Arbeit ist aufschlussreich, scheint jedoch leider einen Fehler zu enthalten. Da die Autoren nicht wussten, dass Patente der Öffentlichkeit erst 18 Monate nach der Einreichung zugänglich sind, beobachteten sie einen starken Rückgang neuer Patente für die Jahre 2010 und 2011, den beiden Jahren vor ihrer im Jahr 2012 durchgeführten Studie. In den beiden IPO-Berichten ist kein solcher Rückgang der Patentaktivität dokumentiert. Ich habe den Autoren eine E-Mail geschrieben, und sie teilten mir mit, dass sie vor kurzem zu dem gleichen Schluss wie ich gekommen sind. Sie ziehen in Erwägung, eine erneute Studie durchzuführen.

 

IPC- und CPC-Codes

Eine Möglichkeit zum Auffinden von QI-Patenten ist, die IPC und CPC-Datenbanken nach relevanten Stichwörtern wie "quantum cryptography" in der Überschrift, der Kurzbeschreibung oder der ersten Seite eines Patentdokuments zu durchsuchen. Alternativ kann man die relevanten IPC- oder CPC-Codes durchstöbern. Die letztere Strategie wird dadurch erschwert, dass QI-Patente über ein breites Spektrum von ganz verschiedenen Kategorien verteilt sind. Dies ist aus dem folgenden Diagramm der häufigsten Codes von QI-bezogenen Patenten ersichtlich.

quantum information patents

(PDF herunterladen)

Gut sichtbar ist die hierarchische Strukturierung des IPC und CPC in Sektionen (sections), Klassen (classes), Unterklassen (subclasses), Gruppen (groups) und Untergruppen (subgroups). Die kleinsten Einheiten, die Untergruppen, können sich in weitere Untergruppen verzweigen. Bei Gruppen und Untergruppen, die erst vor kurzem aufgenommen wurden, wird das Datum ihrer Aufnahme in Klammern am Ende ihrer Beschreibung angegeben. Die bei den drei QI-Teilfeldern "Quantencomputer", "Quanten-Sensoren & Metrologie" und "Quantenkommunikation" (wozu auch Quantenkryptographie und Quantenschlüsselaustausch gehören) beliebtesten Gruppen und Untergruppen sind durch Farben gekennzeichnet. Je intensiver die Farbe, desto gebräuchlicher ist die Gruppe bzw. Untergruppe im jeweiligen QI-Teilfeld. Farbkombinationen entstehen, wenn mehr als ein QI-Teilfeld relevant ist.

Das Diagramm berücksichtigt auch die Unterschiede zwischen IPC und CPC: Wo das CPC die Beschreibung einer Einheit erweitert, steht die erweiterte Beschreibung zwischen geschweiften Klammern. Untergruppen, die nur im CPC-Schema vorhanden sind, werden von hellgrauen Rechtecken eingerahmt.

Mit QI zusammenhängende Stichwörter werden in Fettschrift angezeigt. Wie man sieht, gibt es keine eigene Klassen oder Unterklassen für QI-Technologien. Erst auf der Ebene der Gruppen und Untergruppen erscheinen relevante Stichwörter, und in einigen Fällen nur im CPC-Schema. Vor diesem Hintergrund verwundert es nicht, dass die Autoren der IJQI-Publikation feststellen, dass die IPC-Codes von QI-bezogenen Patenten über ein breites Spektrum von Unterklassen verteilt sind: sie kategorisieren rund 20% der ermittelten Codes als zu "anderen" Unterklassen gehörig, was in etwa der gleiche Prozentsatz ist wie der von denjenigen Codes, die auf die größte Unterklasse, nämlich H04L, entfallen. Aus diesem Grund können im obigen Diagramm nur die am häufigsten verwendeten Codes gezeigt werden. Einige der weniger gebräuchlichen Codes, die hier nicht aufgenommen wurden, sind Gruppe G02B und die Untergruppen H03K19/195 und G06E3/00.

Etwas Interessantes lässt sich bei den Gruppen B82Y10 und B82Y20 beobachten. Obwohl ihre Beschreibungen QI-bezogene Stichwörter enthalten, befindet sich nur eine vernachlässigbare Anzahl von relevanten Patenten in diesen beiden Gruppen. Sie wurden wegen ihrer relevanten Beschreibungen dennoch ins Diagramm aufgenommen. Zuletzt sei gesagt, dass viele der Patente aus dem Bereich "Quanten-Sensoren & Metrologie" nur einen losen Bezug zur Quanteninformationsverarbeitung aufweisen. Dies gilt insbesondere für Klasse G01, während die Patente unter Gruppe H01L39 mehr Bezug zur QI im engeren Sinne haben.

 

Aufgliederung nach Zeitraum

In den 90er Jahren stagnierte die Anzahl neu erteilter QI-Patente durchgehend auf einem sehr niedrigen Niveau. Ab dem Jahr 2000 gab es einen starken Anstieg, welcher seinen Höhepunkt um 2005 erreichte. An dieser Stelle sei erwähnt, dass zwei der größten Wettbewerber, D-Wave Systems und MagiQ, beide 1999 gegründet wurden. Seit 2005 ist die Anzahl neuer Patente relativ stabil geblieben, und Trends sind nur in Teilfeldern sichtbar:

  • Quantenkommunikation: Spitzenwert von rund 270 Patenten im Jahr 2007; seitdem eingependelt bei rund 200 neuen Patenten pro Jahr
  • Quantencomputer: Spitzenwert von 85 Patenten im Jahr 2005; seitdem leichter Rückgang auf derzeit rund 60 neue Patente pro Jahr
  • Quanten-Sensoren & Metrologie: ununterbrochener, jedoch langsamer Aufwärtstrend; derzeit rund 20 neue Patente pro Jahr

 

Aufgliederung nach Patentinhabern

Die bedeutendsten Inhaber von QI-Patenten können in drei Kategorien unterteilt werden, von denen die ersten beiden Kategorien bei weitem am dominantesten sind:

  • spezialisierte QI-Startups: D-Wave Systems, MagiQ, ...
  • etablierte IT-Konzerne: Hewlett-Packard, Toshiba, Microsoft, IBM, NEC, NTT, ...
  • akademische Institutionen: University of Michigan, John Hopkins University, Chinesische Universität Hongkong, ...

Die Inhaber der meisten Patente in den einzelnen Teilfeldern sind:

  • Quantenkommunikation: MagiQ, NEC, Toshiba, Hewlett-Packard, NTT, Mitsubishi
  • Quantencomputer: D-Wave Systems, Hewlett-Packard, Toshiba, Japan Science & Technology Agency, NTT, Microsoft
  • Quanten-Sensoren & Metrologie: Hitachi, Sumitomo, Toshiba, University of Michigan

Durch Abwesenheit glänzen hier ID Quantique und Google, zwei Unternehmen die nachweislich auf dem Gebiet der QI-Technologien sehr aktiv sind. ID Quantique ist ein in der Schweiz ansässiges Jungunternehmen, welches auf dem Gebiet der Quantenkryptographie aktiv ist und somit ein direkter Konkurrent von MagiQ ist. Google verfügt über ein eigenes QI-Forschungsteam (das Google Quantum A.I. Lab) und erwarb vor kurzem unter Beteiligung von NASA und anderen einen D-Wave Two Prototypen.

 

Aufgliederung nach Ländern

Bei den Ursprungsländern von Patentanmeldungen dominieren die folgenden:

  • Quantenkommunikation: Japan, USA, Europa
  • Quantencomputer: USA, Kanada, Europa, Japan
  • Quanten-Sensoren & Metrologie: USA, Europa, Japan

Diese Rangliste birgt keine Überraschungen. Die starke Stellung von Kanada beim Quantencomputer ist zweifellos auf D-Wave Systems zurückzuführen.

In welchen Ländern ein Patent in Kraft tritt, hängt davon ab, bei welchen Patentämtern die Anmeldung eingereicht wird. Die Reihenfolge der bei QI-bezogenen Patenten beliebtesten Patentämter ist: US-Patentamt, WIPO, EPA und Japanisches Patentamt. Interessant ist, dass die nationalen Patentämter Europas mit Ausnahme des britischen Patentamts nur eine vernachlässigbare Anzahl an QI-bezogenen Anmeldungen erhalten. Offensichtlich ziehen Anmelder den Weg über das EPA vor.

 

Rechtlicher Hinweis: Der Inhalt dieses Artikels wurde mit größter Sorgfalt, nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Ich übernehme jedoch keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit, Brauchbarkeit, Aktualität oder Verfügbarkeit der bereitgestellten Informationen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die in diesem Artikel enthaltenen Informationen lediglich dem unverbindlichen Informationszweck dienen und keine Rechtsberatung im eigentlichen Sinne darstellen und auch keine Rechtsberatung ersetzen können. Ich weise ferner darauf hin, dass die Haftung für sämtliche Ansprüche, Verluste, Schäden und Unannehmlichkeiten ausgeschlossen ist, die durch die Nutzung der angebotenen Informationen oder das Herunterladen von Dateien entstehen können. Hiervon ausgenommen ist die Haftung für Vorsatz und grobe Fahrlässigkeit.