Klaus Mølmers forskningsmæssige hovedinteresse er at finde anvendelser af kvantefænomener – fx til computere der bruger enkelte atomer til lagring og beregning af data.

I kvantefysikken kan mikroskopiske partikler tilsyneladende være flere steder på samme tid. Klaus og hans kolleger og studerende har udviklet metoder til at styre denne bevægelse som benyttes i førende laboratorier i hele verden.

Klaus har publiceret over 330 videnskabelige artikler i internationale tidsskrifter og har bidraget med mere end 200 populærvidenskabelige foredrag og indlæg i blade, radio og tv.

Klaus har skrevet en populærvidenskabelige bog, 'Kvantemekanik – atomernes vilde verden', og han har i de seneste år forenet videnskab og kunst i samarbejder og fælles optrædener med komponister, musikere, forfattere, og balletkoreografer og balletdansere.

Klaus Mølmer er desuden forfatter til bogen 'Kvantemekanik - atomernes vilde verden' udgivet på Aarhus Universitetsforlag i 2010, samt artiklen 'Kvantemekanikken og universets byggesten' fra bogen '25 søforklaringer - Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne' fra 2014. Klaus har også modtaget flere priser for sin forskning. 

Klaus Mølmer er uddannet fysiker fra Aarhus Universitet i 1987 og fik sin ph.d.-grad i 1990 efter at han blandt andet havde opholdt sig ved eliteuniversitetet Ecole Normale Superieure i Paris – et af Frankrigs prestigefulde 'grandes écoles'.

Efter et kort ophold hvor han forskede i Aarhus, og et års ophold ved Max Planck Instituttet for Kvanteoptik nær München, vendte han i 1993 tilbage til en forskerstilling ved Aarhus Universitet. Her var Klaus Mølmer professor i teoretisk kvantefysik på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet. 

I den forbindelse har Klaus Mølmer afholdt foredraget ‘Kvantecomputeren’ i efterårssemestret 2016 og igen et foredrag med titlen ‘Kvantecomputeren’ i forårssemestret 2017 og en opdateret udgave af foredraget igen med titlen ‘Kvantecomputeren’ i forårssemestret 2020. 

Klaus Mølmer har også afholdt foredraget ‘Kvantefysikken – atomernes vilde verden’ i efterårssemestret 2018. 

I dag er Klaus Mølmer professor ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet. Hans forskning har specielt haft fokus på studiet af atomare systemers vekselvirkning med lys. Klaus Mølmer har blandt andet udformet teorier for henfald og dæmpning af mikroskopiske, kvantemekaniske systemer, nedbremsning af atomer ved hjælp af laserlys, dynamik for ultra-kolde gasser, kvantemekaniske computere og for måleprocessens særlige betydning og anvendelsespotentiale i kvantefysikken.

Han har herefter afholdt en opdateret version af foredraget ‘Kvantefysikken - atomernes vilde verden’ i efterårssemestret 2022.
I efterårssemesteret 2026 afholder Klaus Mølmer en opdateret version af foredraget 'Kvantecomputeren'.