量子通信技术的示意图（资料图）
2001年，潘建伟的科研项目申请获得批准，回到中科大工作。但是量子信息研究发展很快，当时无论是研究水平还是人才储备方面，国内的基础都很薄弱。“我们必须与国际上的先进小组保持密切的联系，虚心向他们学习，才能更快地前进。如果等到别人绝尘而去，你再去追，就来不及了。”潘建伟说。
在这种思路指引下，潘建伟在与他的同学杨涛教授一道组织科研队伍、开展实验室建设的同时，还继续在维也纳大学从事多光子纠缠方面的合作研究。“成果出得很快，仅2003年一年，国内研究小组作为第一单位发表的《物理评论快报》论文就有7篇。”潘建伟回忆说。
2004年，潘建伟研究小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，并称赞说：“这种新颖的量子态隐形传输是量子纠错和分布式量子信息处理所需要的关键技术。”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。
“这表明国内研究小组在量子纠缠方面的工作已经成功跃居国际领先水平。”潘建伟说，“我可以离开维也纳了，那里的知识我们国内小组已经全部掌握。”
此后，潘建伟以玛丽·居里讲席教授的身份到德国海德堡大学从事量子存储的合作研究。“要实现高效、长距离的量子通信，必须发展量子存储和量子中继技术，而冷原子系综是实现量子存储的理想系统。”潘建伟说，“海德堡大学的冷原子研究处于国际领先地位，我们必须把别人的看家本领学到手。”