围绕强子对撞机以及正负电子对撞机实验，发展新理论、新模型以解决粒子物理学相关的基础问题：探讨组成物质的最基本结构以及它们之间的强、弱及电磁相互作用；探讨高能物理过程中的高阶微扰效应以及非微扰效应，精确检验标准模型理论；研究宇宙中的正反物质不对称性；针对标准模型所存在问题，探讨新理论模型，包括超对称理论、量子引力等。

 基于爱因斯坦的相对论理论探讨与引力及宇宙学相关的基础问题：探讨引力波能量动量赝张量的表述形式和正定性问题；探讨弯曲时空中的经典电动力学与量子电动力学；探讨高能光子流对引力波的谐振相应、高频引力波在电磁系统中的经典效应和量子效应；探讨高频引力波的实验探测方案；探讨基于Finsler几何的引力理论，研究时空对称性以及宇宙大尺度结构物理；研究伽马射线暴极化以及中心引擎机制。

 应用密度矩阵重整化群和稀疏矩阵对角化技术等研究分数量子霍尔态的拓扑性质及其与拓扑量子计算的关系；量子无序系统；光与物质相互作用的量子光学相关问题以及电声耦合量子多体系统；量子蒙特卡洛和张量重整化群等方法的发展和在自旋系统中运用；低维半导体材料，利用kp微扰理论和布洛赫能带的线性组合方法研究低维半导体系统中的电子结构以及激子态等元激发；有机电子体系中的电子能带结构的理论和数值计算。

 系统研究材料中的拓扑缺陷与缺陷电子学，基于晶格位错理论解决材料脆塑性转变等相关问题；完善理想能带拓扑材料的设计方案，寻找拓扑材料的基因，研究拓扑材料在新型电子器件及量子计算机研发中的应用；基于量子力学计算方法研究电子-声子-自旋-拓扑序相互作用，探索相关机制在能量转换器件中的颠覆性应用；基于有效介质理论和格林函数方法，研究无序和外场作用下拓扑量子态的输运性质及拓扑相变；研究二维功能材料异质结，利用固体离子门电极、场效应等手段调控二维材料量子态，发展下一代新型二维量子器件；深入分析电子结构和光电能源转换机理，揭示电子结构调控性能的物理微观机制；基于密度泛函理论和分子动力学，为自下而上靶向设计的高性能能量存储提供物理理论依据；利用大数据分析、机器学习方法等先进和高效的计算手段，探究物理学中与大量数据处理相关的基础问题。

 量子光学与量子信息，包括量子信息处理及量子通信各个分支的理论研究以及基于光学的量子通信研究等。量子通信理论模型的建立；基于光子系统的量子信息处理；光场与粒子的相互作用实现最优化量子控制技术与量子精密测量；量子绝热演化在量子技术中的作用。