В дайджесте представлена информация о наиболее актуальных и перспективных разработках в ракетно-космической отрасли на основе патентной информации.

Материалы для дайджеста подобраны с использованием следующих баз данных патентной информации: WIPO Patentscope, EPO Espacenet, EPO PATSTAT, ФИПС.

В классической механике под состоянием понимается набор значений физических величин, связанных с объектом, например, координат, описывающих положение объекта в пространстве.
Для описания квантового состояния и его отличия от классического состояния рассмотрим следующую ситуацию. Предположим, что частица P находится на числовой оси х, при этом координата частицы находится в пределах отрезка [А, В] (рисунок 1).

Таким образом, классическим состоянием частицы Р будет координата частицы из отрезка [А, В].
На границах числового отрезка в точках А и В установлены детекторы, позволяющие определить, как далеко от них находится частица Р. Таким образом: C_A, C_B – показания детекторов в точках А и В соответственно; C_A = 1 в случае, если частица Р попадает в точку А; C_B = 1 в случае, если частица Р попадает в точку B.
При движении частицы Р от точки А к точке В показания детектора в точке А уменьшаются, а показания детектора в точке В увеличиваются. Состояние частицы Р может быть описано выражениями:

Таким образом, квантовым состоянием частицы Р будет вектор двумерного гильбертова пространства x_p = c_A·A + c_В·B с базисными векторами А = {1; 0}, B = {0; 1}. Базисные векторы A и B являются классическими состояниями.

Классическим примером квантовой системы является мысленный эксперимент «Кот Шредингера», предложенный одним из создателей квантовой механики Эрвином Шредингером. Суть эксперимента заключается в следующем: в стальной коробке находится кот, рядом с которым расположен механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и емкость с синильной кислотой. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час равна 50%. Если ядро распадается, то открывается емкость с кислотой и кот погибает. Если распада не происходит, то кот остается жив.

Если за квантовой системой не производится наблюдение, то состояние данной системы будет описываться двумя состояниями – распавшегося или не распавшегося ядра. Следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив и мертв одновременно.

Таким образом, состояние квантовой системы нельзя узнать до проведения измерения. Имеется только вероятностная реализация одного из возможных состояний системы. В момент измерения квантовая система реализует один из возможных вариантов своих граничных состояний и переходит в классическое состояние.

Квантовые системы, находящиеся в различных квантовых состояниях, являются носителями квантовой информации. Наиболее подходящими квантовыми системами, используемыми для передачи квантовых состояний на большие расстояния, являются фотоны. Они распространяются со скоростью света, позволяют кодировать информацию в частотных, фазовых, амплитудных, поляризационных и временных переменных.

Любая система квантовой связи состоит из источника квантовых состояний, среды, в которой распространяются эти состояния (канал связи), и детекторов, измеряющих квантовые состояния. Для генерации квантовых состояний на отдельных фотонах используют сильно ослабленные лазерные импульсы. Среда, в которой распространяются квантовые состояния, представляет собой волоконно-оптические линии связи или открытое пространство. Обмен информацией между удаленными пользователями происходит с учетом типа квантовых состояний.

Рассмотрим процесс обмена информацией между пользователями А и В, а также ситуацию вмешательства злоумышленника С в данный процесс. Предполагается, что у участников связи имеются два канала связи: квантовый и классический. Последовательность действий пользователей А и В (криптографический протокол) включает в себя следующую последовательность действий:

Данный криптографический протокол гарантирует, что вмешательство злоумышленника С может быть отслежено до тех пор, пока злоумышленник не начнет контролировать все каналы общения сразу.
Пользователь А берет единичный фотон и поляризует его под одним из углов: 0, 45, 90, 135. Таким образом, пользователь выбирает сначала базис поляризации («+» или «х»), а затем направление поляризации («↗» или «↖»).
Пользователь В аналогично пользователю А выбирает базис поляризации и направление поляризации, а также ставит на пути фотона детектор. Далее по открытому каналу связи пользователь В сообщает пользователю А, какие базисы и направления поляризации использовались, а пользователь А сообщает, какие из них совпали с изначально выбранными.
При этом пользователь В не передает измеренные значения.
Если злоумышленник С попытается подключиться к каналу связи, то он не сможет определить, какое из четырех состояний принимает фотон. Если фотон, например, проходит через поляризатор, то, какая бы ни была у него поляризация, после прохождения поляризатора она изменяется. Детектор, преобразуя фотон в электрический сигнал, тем самым уничтожает его, что затрудняет дальнейшие измерения.
Таким образом, при попытке злоумышленника С подключиться к каналу связи, фактически, с точки зрения квантовой механики, будут проведены измерения, что приведет к изменению квантового состояния фотона, и, как следствие, к искажению информации и возникновению помех в канале связи.
Кодирование информации в квантовые состояния позволяет обеспечить защищенность передаваемых данных с гарантией, что информация будет недоступна третьей стороне. При этом защита обеспечивается не вычислительными и техническими возможностями легитимных пользователей и потенциального перехватчика, а законами природы.
Преимуществом квантовой связи является сохранение связи на больших расстояниях, безопасность передачи данных, которая обеспечивается за счет невозможности изменения одного состояния без искажения другого.

Поиск патентных публикаций (заявки, патенты на изобретения, полезные модели) по теме «квантовая связь» проводился в следующих базах патентной информации:

В результате поиска по подклассам МПК B64G, H04B, H04K, H04L, H04W и ключевым словам «quantum communication», «quantum information», «quantum cryptography», «quantum key» было получено распределение патентных публикаций по странам за период с 1995 г. по 2021 г., представленное на рисунках 2 и 3.

На рисунке 4 представлено распределение количества патентных публикаций по годам за период с 2004 г. по 2021 г.

На рисунке 5 представлено распределение по количеству патентных публикаций среди стран-лидеров по теме «квантовая связь» за период с 2010 г. по 2021 г.

Распределение патентных публикаций по теме «квантовая связь» за период с 2010 г. по 2021 г показывает, что лидирующие позиции занимают страны, активно занимающиеся разработкой технологий в области связи. Особенное внимание заслуживает Китай, поскольку за период с 2019 г. по 2021 г. количество публикаций китайского патентного ведомства, увеличилось в 4 раза.

На рисунке 6 представлено распределение патентных публикаций по теме «квантовая связь» за период с 2010 г. по 2021 г. Распределение представлено для 7-ми компаний, имеющих наибольшее количество публикаций.

Целесообразно рассмотреть патентные публикации за период с 2010 г. по 2021 г. китайского, американского и британского патентных ведомств.

На рисунке 7 представлено распределение патентных публикаций китайского патентного ведомства за период с 2010 г. по 2021 г. по теме «квантовая связь». Распределение представлено для 4-х организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.

Как видно из рисунка 5, начиная с 2019 г. в Китае наблюдается рост количества разработок, а также увеличение количества патентных публикаций в отношении новых технологий в области квантовой связи. При этом, как видно из рисунка 7, в настоящее время в китайском патентном ведомстве подают заявки и получают патенты, в основном, организации, зарегистрированные на территории Китая.

На рисунках 8 и 9 представлены аналогичные распределения патентных публикаций патентных ведомств Великобритании и США соответственно по теме «квантовая связь» за период с 2010 г. по 2021 г.

Из рисунков 8 и 9 следует, что в американском и британском патентных ведомствах подают заявки и получают патенты по теме «квантовая связь», в основном, компании из США и стран Европы. Организации из стран Азии представлены незначительно.

Из анализа распределений, представленных на рисунках 7 – 9, можно сделать вывод, что организации, зарегистрированные на территории Китая, придерживаются позиции патентования технологий в сфере квантовой связи только на территории Китая. При этом, ввиду большого количества опубликованных заявок и полученных ими охранных документов, ограничивается возможность входа иностранных компаний на китайский рынок.

Также необходимо отметить, что из-за большого количества патентных публикаций китайского патентного ведомства создаются сложности при патентовании технологий на территории других государств, например, таких, как США или страны Европы. В связи с этим, а также с учетом относительно небольшого количества патентных документов по теме квантовой связи, полученных в США и странах Европы, в настоящее время отсутствуют ограничения для входа на иностранные рынки.

Ввиду того, что в настоящее время технологии квантовой связи планируются к внедрению в космической связи, целесообразным является рассмотрение патентных публикаций по подклассу МПК B64G. На рисунке 10 представлено распределение по годам патентных публикаций по теме «квантовая связь» по подклассу МПК B64G за период с 2019 г. по 2021 г.

На основании рисунка 10 можно сделать вывод, что в настоящее время разработки в сфере квантовой связи для космической техники представлены незначительно. Это может быть связано с тем, что активные разработки по внедрению квантовой связи в космическую технику начались относительно недавно. В связи с этим, проведение работ по направлению квантовой связи для космических аппаратов и последующее патентование технических решений является перспективным.

На основании данных, представленных на рисунках 4, 5 и 10 можно сделать вывод, что большинство патентных публикаций по теме «квантовая связь» относятся к классам МПК, не связанным c космической техникой.

Необходимо отметить, что в настоящее время проводятся работы по внедрению технологий квантовой связи в космическую технику. В частности, в Китае был проведен эксперимент по квантовой передаче информации с использованием космического аппарата , . С учетом малого количества патентных публикаций по теме «квантовая связь» по подклассу МПК B64G можно сделать вывод, что в настоящее время либо происходит интеграция

Так как в настоящее время в мире активно проводятся разработки по созданию и внедрению технологий квантовой связи, целесообразно проанализировать патентную и публикационную активность российских организаций.

На рисунке 11 представлено распределение российских патентных публикаций по теме «квантовая связь» за период с 2010 г. по 2021 г.

На рисунке 12 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «квантовая связь» за период с 2010 г. по 2021 г. (по данным портала eLibrary).

На рисунке 13 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «квантовая связь» по организациям за период с 2010 г. по 2021 г. Распределение представлено для 5-ти организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.

За период с 2012 г. по 2021 г. наблюдается увеличение количества публикаций сотрудников российских образовательных учреждений по теме «квантовая связь». Можно сделать вывод, что в России повышается интерес к использованию систем квантовой связи, а также наблюдается увеличение количества исследовательских работ по данному направлению. В связи с этим, в ближайшие годы можно ожидать увеличения количества российских патентных публикаций по теме «квантовая связь».

Также необходимо отметить, что публикации непатентной литературы, в основном, осуществляются образовательными организациями. При этом данные организации не подают патентные заявки и не патентуют полученные результаты. Таким образом, можно сделать вывод, что образовательные организации не рассматривают возможность потенциальной коммерциализации результатов, полученных в ходе исследований.

В результате анализа патентной информации по теме «квантовая связь» было получено распределение патентных публикаций по группам МПК (рисунок 14). Распределение представлено по 6-ти группам МПК, по которым выявлено больше всего публикаций.

Патентная активность в сфере квантовой связи обусловлена увеличением количества разработок, обеспечивающих передачу информации на большие расстояния и сохранение защищенности передаваемой информации. Одновременно с развитием технологий наземной квантовой связи проводятся работы по созданию систем квантовой связи для космических аппаратов.

В настоящее время количество охранных документов в области квантовой связи для космической техники незначительно. При этом происходит интеграция «земных» и «космических» технологий в данной сфере. За счет такой интеграции у разработчиков систем квантовой связи в области космической техники имеется потенциал возвратности инвестиций за счет внедрения разработок в повседневную жизнь.

Существует тенденция увеличения количества патентных документов и публикаций научно-технической информации по теме «квантовая связь». Большое количество заявок подается в китайское патентное ведомство. При этом на российском рынке в настоящий момент запатентовано сравнительно небольшое количество решений. При этом по теме «квантовая связь» подано небольшое количество патентных заявок, относящихся к космической технике.

За период с 2012 г. в России наблюдается увеличение количества публикаций непатентной литературы по данной теме, в связи с чем в ближайшие годы можно ожидать увеличение количества поданных заявок и полученных охранных документов. Согласно проведенному анализу, патенты, охраняющие технические решения в данной области, будут востребованы в ближайшее время на мировом рынке. Таким образом, проведение работ по направлению квантовой связи и последующее патентование технических решений является перспективным.

В настоящий момент Российская Федерация находится на 3 месте в мире по количеству патентных публикаций по теме «квантовая связь». Однако при сохранении текущих темпов патентования в России на фоне роста активности конкурентов существуют серьезные угрозы для российских компаний, планирующих реализацию проектов в области систем квантовой связи.

Таким образом, российским компаниям целесообразно провести анализ решений, представленных в иностранных патентных документах, с целью выявления технических решений, которые будут востребованы на рынке в ближайшие годы. Также необходимо активизировать разработки в области квантовой связи для космической техники, сформировать портфель прав и обеспечить патентование своих разработок по перспективным, с точки зрения коммерческой реализации, направлениям и технологиям, в том числе за рубежом.