实验室主要围绕低维量子物理前沿科学探索和低维量子信息技术物理基础两个主要研究方向，聚焦低维量子物理体系，布局了六大重点任务方向，具体包括：

（1）低维超导与高温超导机理

• 新型低维超导体与界面的制备与调控；
• 超导薄膜和异质结界面诱导的新奇电子态；
• 铜氧化物约瑟夫森结；
• 设计新型高温超导家族体系；
• 高温超导机理研究。

（2）低维量子体系非平衡物态探测与调控

• 低维量子物态多自由度的精确探测；
• 非平衡新物态、量子多体动力学等理论前沿探索；
• 低温磁场中电、磁、输运性质的超高真空原位表征；
• 低维量子材料的超快动力学与仪器研发；
• 非平衡态理论与计算方法。

（3）低维量子材料的理论设计与精准制备

• AI驱动的低维量子材料发现；
• 低维量子材料的精准制备与调控；
• 层间耦合、量子局限效应以及表界面耦合等低维量子作用的精准操控；
• 新型量子材料的设计。

（4）基于低维体系的量子精密测量

• 量子增强新原理和新方法；
• 激光冷却负离子；
• 激光干涉仪；
• 超高精度原子光钟和核光钟；
• 高灵敏度磁力计。

（5）基于低维体系的量子模拟与量子计算

• 离子阱量子计算；
• 里德堡原子阵列；
• 拓扑量子计算；
• 超导量子计算；
• 抗噪和容错量子计算理论；
• 量子控制理论。

（6）低维量子体系的信息器件应用

• 低维碳材料与半导体工艺研发；
• 多功能氧化物材料研究；
• 低维金属磁性材料开发与器件开发；
• 量子通信和量子存储；
• 光量子芯片。