量子通信与信息安全。研制量子中继器。研究卫星的量子通信和扩展量子通信距离的有效中继方法。研究远距离绝对安全的实用化量子通信。建立城域和城际的多节点光纤量子通信网络，实现大规模网络化的量子通信。发展与量子通信相关的理论，研究各种窃听和反窃听以及提高安全性的方法，推动量子通信协议标准的制定。
量子信息理论。研究与量子信息过程物理实现相关的理论，量子纠缠理论，量子算法与复杂性，退相干机制和抑制方法，量子编码，量子信道容量，量子编程和新型量子计算途径等。
（二）关联电子体系
新颖关联量子材料。探索和发现具有奇异物性的强关联体系新材料和新材料体系，制备关联量子材料高质量单晶和异质结，实现对其尺寸、组分、形态以及掺杂的精确控制，并发展其微加工技术。
竞争序和量子相变。研究各种非常规关联量子材料中的自旋密度波、电荷密度波与磁性有序之间的共存和竞争。研究电荷、自旋与轨道自由度之间的相互作用效应和各种量子相变与量子临界现象。研究拓扑绝缘体的物理特性，重费米子体系的量子临
界现象，低维结构中的近藤效应，分数量子霍尔效应系统，自旋费米液体和各种磁阻挫系统等。
关联量子现象理论与数值模拟。发展超越平均场近似的理论和方法，建立正确描写新型关联量子系统的理论模型；研究跨尺度的计算模拟技术，发展研究物性的新计算方法，建立有自主知识产权的软件平台。
（三）小量子体系
单粒子和单量子态。制备高质量小量子体系，实现对单个小量子体系的能级、轨道波函数和其它量子态的控制。研究小量子体系在空间、能量、时间域的高分辨、高灵敏表征方法。发展将自旋信号转换成电或光信号的新方法，实现高灵敏的自旋态的电学或光学检测与操控。发展核磁共振/电子回旋共振的局域探针技术，自旋态波谱学的探测技术和基于自旋量子态量子信息的处理技术。研究特殊材料中的量子相干输运和自旋操控，研制基于准一维量子结构和单层石墨等低维材料的新型原理器件。
原子、离子和分子体系。研究原子与分子内部量子通道的阿秒、飞秒级相干控制和测量，揭示电子尺度上的超快动力学行为，建立和发展先进的分子内部量子态的制备、检测与调控方法和技
术。发展分子减速、冷却和囚禁等技术，研究分子量子态的演化等基本过程。研究分子结构的变化对能级结构、轨道、自旋和自组装特性的影响，分子间电荷和能量转移，研究新型分子器件。
半导体量子结构。研究半导体量子结构中自旋相干过程和退相干的各种物理机制，半导体结构中自旋调控的原理和方法，以及产生和探测自旋流的新方案。研究单量子点自旋量子比特的基本量子操作。研究激子、激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚现象，研制无阈值极化激元激光器和自旋晶体管的原理器件。
磁性、稀磁半导体及异质结构。研究稀磁半导体、半金属和铁磁薄膜及其异质结等的新奇磁输运性质和磁光性质。研究巨塞曼效应，发展磁性材料的电子态密度的调控方法，实现磁性多层异质结构中磁晶各向异性的量子调控。
固体中孤立量子体系。研究金刚石中氮空位孤立自旋的退相干机理、能级结构及量子光学性质，建立孤立自旋的光学探测系统，发展操控孤立自旋的实验技术。研究固体中孤立自旋的操控，建立起自旋可控耦合和构建量子比特的方案，探索在量子信息和计算中的应用。
（四）人工带隙体系