조용훈 교수는 고체 상태에서 양자 광학적인 연구를 가능하게 하는 저차원 반도체 구조 기반의 양자 포토닉스 분야를 연구하고 있다. 특히, 반도체 양자점 및 점결함을 이용한 고순도 단일 광자, 구별불가능 광자, 얽힘 광자쌍과 같은 양자 광원 소자 개발을 주도하고 있으며, 이들 양자 광원과 공진기 및 광집적회로와의 결합을 통하여 이들 사이의 상호작용을 제어하는 기술을 연구하고 있다. 2015년 KAIST 지정 석좌교수, 2018년 한국과학기술한림원 정회원, 2019년 국제광전자공학회(SPIE) Fellow로 선정되었다.