1987年至1995年，就讀于中國科學技術大學近代物理系，先后獲學士、碩士學位。
1995年至1996年，任中國科學技術大學助教。
1996年至1999年，赴奧地利留學，獲維也納大學博士學位。
1999年至2001年，歷任奧地利維也納大學實驗物理所博士后研究員、高級研究員。
2001年至今，任中國科學技術大學近代物理系教授。
2002年至2007年，任教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授。
2003年至2008年，兼任德國海德堡大學瑪麗·居里講席教授。
2005年至今，任中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部主任。
2008年至今，任德國海德堡大學物理所榮譽教授。
2012年至今，歷任中國科學技術大學校長助理、副校長、常務副校長。
2017年，任中國科學院量子信息與量子科技創新研究院院長。
2017年7月，當選為九三學社安徽省第十一屆委員會主任委員。
2017年12月，當選為九三學社第十四屆中央委員會副主席。
2018年4月，任西湖大學創校校董會成員。
2021年1月，任歐美同學會（中國留學人員聯誼會）第八屆理事會副會長。
2017年12月21日，入選“2017年度中國留學人員50人榜單”。
2017年9月9日，第二屆“未來科學大獎”“物質科學獎”。
2017年12月19日，入選《自然》2017十大科學人物、獲稱“量子之父”。
2018年4月，獲《時代周刊》2018年全球最具影響力人物榮譽。
2018年11月，入選100名改革開放杰出貢獻對象。
2018年12月18日，獲改革先鋒稱號，頒授改革先鋒獎章，并獲評量子信息研究的創新者。
2018年12月22日，入選“中國改革開放海歸40年40人”榜單。
2019年4月26日，榮獲2019年度“墨子量子獎”。
2020年4月，獲2020年蔡司研究獎。
2005年，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部主任。
2010年，任中國科學院“量子科學實驗衛星”戰略性先導專項首席科學家。
2010年12月，中國科學技術大學國際合作交流推進委員會主任。
2011年，任中國科學院量子技術與應用研究中心主任。
2011年-2016年，《物理學報》編審委員會編輯委員。
2012年，九三學社第十三屆中央委員會常委。
2012年06月-2013年12月，中國科學技術大學校長助理。
2012年07月，教育部量子信息與量子科技前沿協同創新中心主任。
2013年12月-2015年06月，中國科學技術大學副校長。
2014年，第五屆中國青年科技工作者協會會長。
2014年01月，中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心主任。
2015年07月，第十二屆中華全國青年聯合會副主席。
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