在納米尺度的低維系統(tǒng)中往往顯現(xiàn)著各種奇妙的量子力學現(xiàn)象和效應。實驗室以低維量子體系為研究對象，瞄準國際最新科學前沿和關鍵科學技術問題進行攻關。窺視真理并非易事，在持之以恒的奮斗后，實驗室不僅取得了一系列豐碩的科研成果，而且培養(yǎng)出了一大批優(yōu)秀的物理學人才，知交同道，砥礪前行。
2011年，清華大學低維量子物理國家重點實驗室獲科技部正式批準進入建設期，在2013年順利通過科技部驗收，并在2015年被評為“優(yōu)秀類實驗室”。實驗室現(xiàn)有65名研究人員，其中包括8位中國科學院院士，以及一批杰出的中青年研究人才。各研究團隊都正在低維量子物理的前沿領域開展研究——
薛其坤院士領銜的團隊在實驗上首次發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應，這是我國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理現(xiàn)象，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。該成果的獲得是我國科學家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關的一個典范，獲得了2018年度國家自然科學一等獎，為清華理科復建后第一個由基礎學科研究團隊牽頭完成的國家自然科學一等獎項目。
尤力教授領導的研究團隊利用量子光學的方法實現(xiàn)了多粒子的量子糾纏，實現(xiàn)了超過一萬個粒子組成的多體糾纏態(tài)，是當時國際上能確定性制備的可甄別的最大糾纏態(tài)。該研究工作入選2017年“中國科學十大進展”。
段文暉院士研究組在量子材料的理論計算和設計方面作出了一系列突出的成果，也為我國高新科技的發(fā)展奠定了堅實的基礎。
范守善院士領導的納米中心在碳納米管的研究方向覆蓋了從基礎研究到產業(yè)應用的全鏈條，擁有世界領先的研究水平。他們在國際上首次合成出超順排碳納米管陣列，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產，將碳納米管觸摸屏和碳納米管振膜耳機產品推向市場。
由曹必松教授、魏斌副教授組成的研究團隊完成的“微波通信用高溫超導接收前端”項目獲了得2009年國家技術發(fā)明獎二等獎；“高溫超導濾波器技術和應用”項目獲得了2017年國家技術發(fā)明獎二等獎。高溫超導這一高新技術已經為解決我國無線電領域的技術難題、為國民經濟和人們的日常生活作出了實實在在的貢獻。
近年來，實驗室成員在自旋電子材料與器件、氧化物薄膜、量子信息、高溫超導材料制備及物性研究等方面都取得了一系列重要的原創(chuàng)性成果。
這些研究成果的取得當然離不開實驗室搭建的精密儀器設備。譬如在低溫強磁場掃描隧道顯微鏡實驗室中，研究團隊利用掃描隧道顯微鏡開展高溫超導體和拓撲絕緣體方向的研究，利用分子束外延技術制備高質量可控的拓撲絕緣體薄膜和高溫超導薄膜。又譬如超冷原子實驗室中的冷原子裝置。不要小看了這些錯綜復雜、五彩斑斕的線路和金屬儀器。冷原子實驗利用激光和電磁場來冷卻和囚禁原子，使它們懸浮于真空當中，并操控原子的量子狀態(tài)以及原子之間的相互作用。冷原子裝置有許多用途，研究團隊致力于利用冷原子實現(xiàn)超越經典干涉儀測量精度的研究、聚焦于少體和多體量子系統(tǒng)的研究與模擬、以及磁場的量子精密測量技術研究等，對基本物理定律檢驗、潛艇探測、腦磁檢測和礦產勘探等領域的應用都有巨大幫助。
除此之外，納米薄膜實驗室與脈沖激光沉積實驗室也搭建一系列精密儀器，如：超高真空磁控濺射系統(tǒng)、氬離子刻蝕機、脈沖激光沉積系統(tǒng)等，在材料精確可控制備、物性測量、機理研究等方面都發(fā)揮了巨大的作用。
“我們主要研究的目的是希望在這些低維材料中，發(fā)現(xiàn)新奇的量子效應，理解背后的微觀機理，發(fā)展新的理論和實驗工具，并最后能夠做出實用性的器件以及精密的量子測量方法。”在談到實驗室研究的目標時，低維量子物理國家重點實驗室主任王亞愚教授是這樣說的。
低維量子物理國家重點實驗室理論與實驗并重，同時也通過各種應用成果讓高等物理與國家、社會，與每一個人的生活緊密相連，也就是王亞愚教授所說的，研究在最后將落腳于“實用性的器件以及精密的量子測量方法”。
物理學研究是理論和現(xiàn)象的統(tǒng)一。理論指導著實驗的開展，現(xiàn)象佐證理論，同時推動著新理論的產生。
