在国家实验室的总体部署下，在山东省、济南市的大力支持下，济南量子技术研究院张强、王东周、郑名扬、陈法喜、宋于坤、李立波等人开发了高质量周期极化KTP晶体、高效率周期极化铌酸锂波导和超稳单频激光器等，助力我国“九章四号”量子计算原型机取得重大突破。

目前，世界上最快的超级计算机求解特定数学问题约需10的42次方年。由中国科学家最新研制成功的“九章四号”量子计算原型机只需要25微秒，这背后，离不开“济南力量”的托举。

刷新世界纪录

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。与经典计算的普通比特不同，量子计算机用的量子比特不是只有“0”或“1”，而是可以同时处于“0”和“1”的叠加态。借助叠加态与纠缠态，量子计算能够在同一时间并行处理大量计算路径，在特定问题上实现指数级加速。

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等，联合济南量子技术研究院、山西大学、清华大学、上海人工智能实验室、崂山实验室、国家并行计算机工程技术研究中心等单位，成功研制出1024个量子压缩态输入8176模式的可编程量子计算原型机“九章四号”，首次操纵和探测高达3050个光子的量子态。“九章四号”被应用于高效求解高斯玻色采样任务，其计算速度相比当前全球最快的超级计算机El Capitan快10^54倍（即量子优势比为10^54），成功建立了国际上最强的“量子计算优越性”。论文于北京时间2026年5月14日发表于国际权威学术期刊《自然》。

九章四号原型机示意图

目前主流量子比特技术路线包括超导、离子阱、光量子和中性原子等。“九章四号”是光量子计算原型机，使用光子来编码量子比特，通过对光子的量子操控及测量来实现量子计算，是“九章”（2020年）、“九章二号”（2021年）、“九章三号”（2023年）量子计算原型机的再升级版。

重新定义“量子计算优越性”边界

量子计算利用量子叠加与纠缠特性，在特定问题上实现远超经典计算机的处理能力。“量子计算优越性”指的是量子计算机在某个明确定义的数学问题上超越现有最强超级计算机。它不仅验证了量子力学的计算潜能，也为检验“扩展的丘奇—图灵论题”提供了实验平台，更为后续容错量子计算机的研制积累必要的可扩展调控技术。“量子计算优越性”是量子计算具备应用价值的前提条件，也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。

2026年4月10日拍摄的“九章四号”量子计算原型机局部。（图片来源：新华社）

在这一全球竞争中，2019年，谷歌联合加州大学推出53比特超导处理器“悬铃木”，率先宣称实现优越性。然而，中国科学技术大学和上海人工智能实验室的科学家联合团队随后通过创新经典算法，将同一任务在超算上的求解时间从一万年压缩至数十秒，同时在能耗上少15倍，全面打破了谷歌2019年的“量子霸权”宣称，重新定义了“量子计算优越性”的边界。 

2020年，中国科大团队成功研制76光子的“九章”光量子计算原型机 [Science 370, 1460 (2020)]，在国际上首次在光学体系中实现量子计算优越性，量子优势比为10^5，同时克服了谷歌方案中依赖样本数量的漏洞。次年，中国科大团队将光子数提升至113，推出可相位编程的“九章二号”，量子优势比达到10^10 [PRL 127, 180502 (2021)]；同时，中国科大团队56比特超导原型机“祖冲之二号” [PRL 127, 180501 (2021)]也宣告成功，使得中国成为全球唯一在两条技术路线上均达到量子计算优越性的国家。2023年，“九章三号”再将光子数刷新至255 [PRL 131, 150601 (2023)]，量子优势比进一步提升到10^16，持续保持领先。

国际方面，加拿大Xanadu公司联合美国国家标准与技术研究院，采用与“九章”相同的高斯玻色采样技术，于2022年发布了216光子的“北极光”处理器，成为国际上第二个实现光学体系量子计算优越性的团队。

生成一个样本仅需25微秒

光量子计算的国际竞争态势

“九章四号”最大的技术突破在于团队首创的“可编程时空混合编码”架构。过去如果要扩大规模，只能通过增加光学器件，导致设备庞大且损耗极高。“九章四号”让光子在时间和空间两个维度上同时发生干涉，极大提升了整个网络的连通性，又兼顾控制了物理器件的规模，进而获得了对高达3050个光子的操纵和探测能力，带来算力的指数级提升，比之前最好结果提升超过10倍。

研究团队将实验结果与当前所有最先进的经典模拟方法进行了对比基准测试，特别是针对利用光子损耗而设计的矩阵乘积态算法。结果表明，“九章四号”生成一个样本仅需25微秒，而使用目前世界上最强大的超级计算机“El Capitan”和目前最好的经典算法，需要超过10^42年的时间，量子优势比达到10^54量级。“九章四号”成果代表了低损耗光量子处理器在规模和复杂度上的重大飞跃，进一步巩固了我国在光量子计算领域的世界领先地位。

九章四号相对目前最快超级计算机的加速比

量子科技的济南力量

济南作为全国最早布局量子科技的地区之一，聚焦国家战略需求，提供5.2万平方米载体支持量子科技和产业发展。

目前，落地了国家实验室济南基地、全国量子技术标准化技术委员会、国际标准化组织和国际电工委员会量子技术联合委员会国内技术对口单位等多个国家级平台，形成“济南一号”“祖冲之三号”等国际领先的原创成果；汇聚了在量子通信领域以山东国盾为代表、在量子精密测量领域以山东国耀为代表、在量子计算领域以九章量子为代表的一批量子信息骨干企业；形成了从量子科学基础研究、核心元器件研制、整机制造、系统集成、网络建设、运营服务到标准化建设的全产业链条，实现量子通信、量子计算、量子精密测量全领域产业布局。2023年获批山东省未来产业集群，2025年获批山东省未来产业科技园。