方向一量子光学与量子信息：本方向以光场量子态作为量子资源，开展量子计算、量子通信和量子测量等领域的研究工作。经过数十年的攻关，在此方向上形成了优势与特色，在国际上占有重要地位。在连续变量纠缠态光场的纠缠度和组份、原子中量子存储时间、量子逻辑门数达到目前国际最高水平；国际上率先实现一维、两维及强相互作用下超冷费米气体自旋轨道耦合的量子模拟。以上研究对量子信息、量子模拟特别是设计和模拟新型拓扑量子材料具有重大意义。

方向二超冷原子分子物理：本方向的主要研究领域为光与超冷原子分子相互作用，针对超冷原子、超冷极性分子、巨型里德堡分子和玻色爱因斯坦凝聚以及自旋-轨道耦合的简并费米气体等的量子态制备、测量与应用的国际研究热点和难点问题开展研究，利用光场、电磁场和微波场实现超冷原子分子量子态的有效操控，解决量子信息处理与精密光谱等研究中的重大科学问题。开展超冷原子分子物理的研究将促进量子科学、光谱技术等领域的全面发展，极具科学意义和应用价值。

方向三光与物质相互作用：主要从原子系综与光场相互作用的量子调控以及确定性原子的操控及其与光场强耦合作用方面开展研究，具体研究内容包括：冷原子系综中的高效率、长寿命量子存储，高性能量子中继，原子介质中的光子晶格及新奇量子态，从单原子到多原子阵列的操控及其与微腔的强耦合，单分子量子相干效应与动力学特性，基于多原子控制的量子模拟和量子信息处理，基于纳米光纤和微盘腔的原子操控与测量以及利用量子光源和原子系综的精密磁场测量等方面的研究。

方向四量子物理的理论研究：立足本学科国际前沿，本方向的主要研究领域包括量子物理基础、冷原子理论、复杂系统动力学理论、中高能核物理等方面，在突出理论物理研究的前瞻性的同时又兼顾基本理论的潜在应用。在以下研究方向上形成了独具特色的研究队伍，有一定的研究优势：分子磁体和场论模型量子隧穿中提出并发展的周期瞬子方法，量子简并原子气体中新奇量子态的相干操控理论，低维及介观体系的输运及拓扑性质研究，非线性量子系统中的超流及孤子动力学等。

方向五固态量子材料：本方向主要研究领域为低维结构中光、电、自旋的量子效应及其物理机制；制备Ⅲ-V族半导体量子材料；开发半导体自旋器件和高品质单光子源。该方向拥有自材料生长至材料测试较为完善的科研设备，具有较强的产学研合作基础。能够开展新型量子材料系统的自旋电子学和半导体量子光学展开前沿研究；培养具有国际视野的高水平研究生。

方向六全固态激光技术和光量子器件：本方向主要进行高性能的全固态激光技术的研究及相关器件的研制和基于量子光学技术的光量子器件的研究及相关器件的研制。本方向在全固态连续单频激光器研究方面有着长期的积累，研制的激光器的性能指标达国际先进水平，曾获国家技术发明二等奖和山西省技术发明一等奖。在基于连续变量量子光学技术的相关量子光学器件方面进行着国际前沿研究，已研制出国际上首台连续变量量子纠缠态光源和量子保密通信样机。