他曾获得中科院院长特别奖、全国优秀博士论文、饶毓泰基础光学奖、霍英东青年研究奖、中科院百人计划、中科院自然科学二等奖和国家自然科学二等奖。2004年获美国斯隆研究奖，2005年获海外华人物理学会杰出研究奖，2009年当选美国物理学会会士。段教授完成了量子信息领域一些开创性的工作，提出实现长距离量子通信网络的量子中继方案，被国际同行誉为“DLCZ”（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）方案，为该领域的奠基性方案。