2016年1月，获国家自然科学奖一等奖。作为多光子纠缠及干涉度量项目第一完成人，潘建伟因45岁的年龄优势，刷新了2006年支志明49岁获该奖的年龄记录。此前,华罗庚、钱学森等曾获该奖。
2015年，被评为“2015中国科学年度新闻人物”。
2013年10月30日，香港何梁何利基金科学与技术成就奖。
2012年06月，国际量子通信奖。该奖项于2012年8月1日在第11届量子通信、测量和计算国际学术大会上正式颁发。此会议每两年举办一次，是量子信息科学研究领域水平最高，规模最大的学术盛会。 潘建伟是获得国际量子通信奖这一荣誉的首位华人物理学家。2012年，当选为发展中国家科学院院士。
2011年，当选为中国科学院院士（数学物理学部）。
2010年，全球青年领袖（Young Global Leaders）。
2008年11月，当选为发展中国家科学院的TWAS Young Affiliates（通讯院士）。2008年10月，德国海德堡大学荣誉教授。
2007年，美国物理学会贝勒讲席（Beller Lectureship）。
2006年10月，第六届中国青年科学家奖。 2006年03月，中国科学院杰出科技成就奖。
2005年08月，求是杰出科学家奖。 2005年06月，欧洲物理学会菲涅尔奖（Fresnel Prize）。此奖为欧洲物理学会授予在量子电子学和量子光学领域做出杰出贡献的青年科学家。
2004年，第十五届“中国十大杰出青年”。 2004年，第八届“中国科学院杰出青年”。 2004年，德国洪堡基金索菲亚奖（Sofija Kovalevskaja Award）。 （属于科研基金，研究经费为105万欧元） 2004年，欧盟玛丽·居里杰出研究奖（Marie Curie Excellent Research Award）。（属于科研基金，研究经费为115万欧元） 2004年，德意志研究联合会尼托研究基金诺特尔奖 （Emmy Noether Research Award）。（属于科研基金，经费113万欧元）
2003年，奥地利科学院施密德奖（Erich Schmid Prize）。此奖为奥地利科学院授予四十岁以下的青年物理学家的最高奖，两年一度，每次一人。 2003年－2008年，德国海德堡大学，物理所，玛丽·居里讲座教授。
2002年，德国洪堡基金索菲亚奖（Sofija Kovalevskaja Award）。 （属于科研基金）国际5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”。（《物理世界》“年度十大突破”自2009年发布以来，在学术界具有重要权威性，入选的科学研究要符合：具有至关重要性;对科学知识有显著推进;理论与实验具有紧密联系;为所有物理学家普遍关注等条件。 ）4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。
2015年，欧洲物理学会《物理世界》年度国际物理学领域的十项重大突破（第一名），《多自由度量子隐形传态》。 英国《自然》杂志在报道潘建伟团队量子通信研究成果的新闻特稿《量子太空竞赛》中指出，“在量子通信领域，中国用了不到10年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。”
2013年，美国物理学会《物理》杂志年度国际物理学领域的十一项项重大进展，《利用测量器件无关量子密钥分发解决量子黑客隐患》。
2005年潘建伟还荣幸地被综述杂志《现代物理评论》（影响因子高于《自然》）邀请撰写综述文章，这是中国实验物理学家在《现代物理评论》上撰写的第一篇文章。能够被邀请在如此权威的学术杂志上撰写综述文章，意味着作者该领域所享有的声望与权威性。
2003年5月22日，英国《自然》杂志日以封面文章的形式发表了题为《任意纠缠态纯化的实验研究》的论文（潘建伟是第一作者）。《自然》杂志审稿人称赞潘建伟等人的论文“构成了量子信息实验领域一个非常重要的进展”，“首次令人信服地在实验上证明了量子信息处理中任意未知的退相干效应是可以被克服的”。为体现对这项研究的重视，《自然》杂志同时以封面及新闻与评论的形式报道了这项研究成果，而全世界每年只有大约3至4篇重要的物理学论文被《自然》杂志以封面形式发表。
1997年，英国《自然》杂志题为《实验量子隐形传态”》的论文（潘建伟是第二作者），该成果不仅被公认为量子信息实验领域的开山之作 ，同时还被欧洲物理学会和美国物理学会评为世界物理学年度重大进展，被美国《科学》杂志评为年度全球十大科技进展。该工作后来还同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”之一。 中国其研究成果曾6次入选两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”3次入选教育部评选的“年度中国高校十大科技进展”。3次入选科技部评选的“年度中国基础研究十大新闻”。
2007年1月20日，由547名中国科学院院士、中国工程院院士投票评选出的2007年中国十大科技进展新闻在京揭晓，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部潘建伟教授领导的科研团队的成果“实现六光子薛定谔猫态”榜上有名。这是科大成果连续第五年入选年度“十大科技进展”，也是潘建伟团队的研究成果最近五年内第四次入选“十大科技进展”。
2004年，潘建伟研究组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，《自然》杂志发表了这一成果。这一成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展，这对中国科学家来说是第一次。
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