在纳米尺度的低维系统中往往显现着各种奇妙的量子力学现象和效应。实验室以低维量子体系为研究对象，瞄准国际最新科学前沿和关键科学技术问题进行攻关。窥视真理并非易事，在持之以恒的奋斗后，实验室不仅取得了一系列丰硕的科研成果，而且培养出了一大批优秀的物理学人才，知交同道，砥砺前行。
2011年，英国上市公司官网365低维量子物理国家重点实验室获科技部正式批准进入建设期，在2013年顺利通过科技部验收，并在2015年被评为“优秀类实验室”。实验室现有65名研究人员，其中包括8位中国科学院院士，以及一批杰出的中青年研究人才。各研究团队都正在低维量子物理的前沿领域开展研究——
薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现了量子反常霍尔效应，这是我国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理现象，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个典范，获得了2018年度国家自然科学一等奖，为清华理科复建后第一个由基础学科研究团队牵头完成的国家自然科学一等奖项目。
尤力教授领导的研究团队利用量子光学的方法实现了多粒子的量子纠缠，实现了超过一万个粒子组成的多体纠缠态，是当时国际上能确定性制备的可甄别的最大纠缠态。该研究工作入选2017年“中国科学十大进展”。
段文晖院士研究组在量子材料的理论计算和设计方面作出了一系列突出的成果，也为我国高新科技的发展奠定了坚实的基础。
范守善院士领导的纳米中心在碳纳米管的研究方向覆盖了从基础研究到产业应用的全链条，拥有世界领先的研究水平。他们在国际上首次合成出超顺排碳纳米管阵列，并实现了工业化生产，将碳纳米管触摸屏和碳纳米管振膜耳机产品推向市场。
由曹必松教授、魏斌副教授组成的研究团队完成的“微波通信用高温超导接收前端”项目获了得2009年国家技术发明奖二等奖；“高温超导滤波器技术和应用”项目获得了2017年国家技术发明奖二等奖。高温超导这一高新技术已经为解决我国无线电领域的技术难题、为国民经济和人们的日常生活作出了实实在在的贡献。
近年来，实验室成员在自旋电子材料与器件、氧化物薄膜、量子信息、高温超导材料制备及物性研究等方面都取得了一系列重要的原创性成果。
这些研究成果的取得当然离不开实验室搭建的精密仪器设备。譬如在低温强磁场扫描隧道显微镜实验室中，研究团队利用扫描隧道显微镜开展高温超导体和拓扑绝缘体方向的研究，利用分子束外延技术制备高质量可控的拓扑绝缘体薄膜和高温超导薄膜。又譬如超冷原子实验室中的冷原子装置。不要小看了这些错综复杂、五彩斑斓的线路和金属仪器。冷原子实验利用激光和电磁场来冷却和囚禁原子，使它们悬浮于真空当中，并操控原子的量子状态以及原子之间的相互作用。冷原子装置有许多用途，研究团队致力于利用冷原子实现超越经典干涉仪测量精度的研究、聚焦于少体和多体量子系统的研究与模拟、以及磁场的量子精密测量技术研究等，对基本物理定律检验、潜艇探测、脑磁检测和矿产勘探等领域的应用都有巨大帮助。
除此之外，纳米薄膜实验室与脉冲激光沉积实验室也搭建一系列精密仪器，如：超高真空磁控溅射系统、氩离子刻蚀机、脉冲激光沉积系统等，在材料精确可控制备、物性测量、机理研究等方面都发挥了巨大的作用。
“我们主要研究的目的是希望在这些低维材料中，发现新奇的量子效应，理解背后的微观机理，发展新的理论和实验工具，并最后能够做出实用性的器件以及精密的量子测量方法。”在谈到实验室研究的目标时，低维量子物理国家重点实验室主任王亚愚教授是这样说的。
低维量子物理国家重点实验室理论与实验并重，同时也通过各种应用成果让高等物理与国家、社会，与每一个人的生活紧密相连，也就是王亚愚教授所说的，研究在最后将落脚于“实用性的器件以及精密的量子测量方法”。
物理学研究是理论和现象的统一。理论指导着实验的开展，现象佐证理论，同时推动着新理论的产生。
