主要从事量子通信、量子计算和量子力学基础问题检验等方面的研究
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潘建伟首次实验实现量子隐形传态及纠缠交换、终端开放的量子隐形传态、复合系统量子隐形传态、16公里自由空间量子隐形传态；首次实现三、四、五、六、八光子纠缠；首次实验验证GHZ定理；提出利用现有技术可实现的量子纠缠纯化方案，并完成实验实现；实现突破大气等效厚度的量子纠缠和量子密钥分发；先后实现绝对安全距离超过100公里和200公里的量子密钥分发及全通型量子通信网络；提出基于冷原子量子存储的高效量子中继器方案，并完成实验实现；利用冷原子系综实现高品质的单光子和纠缠光子的量子存储；利用多光子纠缠实现重要的量子算法和突破经典极限的高精度测量；实现任意子分数统计的量子模拟。
