2018年，段路明辞去美国密歇根大学费米讲席教授职位，全职回清华大学交叉信息研究院工作并任清华大学姚期智讲座教授、清华大学基础科学讲席教授。

2023年11月，当选中国科学院院士。

段路明与郭光灿合作在国际上率先提出量子避错编码，用于克服量子信息系统最主要障碍的消相干问题；提出概率量子克隆这一全新研究方向，研究最佳概率量子克隆过程。段路明与郭光灿在量子信息理论领域成就被称之为“段—郭”界限 。

段路明从事量子计算、量子网络和量子模拟物理实现方面的研究，完成了量子信息应用领域的一系列开创性工作；他提出“DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中继方案和网络量子计算方案，为实现长距离量子通信和可扩展量子计算奠定了基础；他提出通过网络方法进行可扩展量子计算，为近期量子计算大型项目奠定了理论基础。段路明在新兴的量子信息领域，他完成了一系列国际创新工作。他发表于英国《自然》杂志的题为《利用玻色－爱因斯坦凝聚体制备多粒子纠缠》的论文，首次将当前物理学的两个热门前沿领域玻色－爱因斯坦凝聚与量子信息研究有机地结合起来。

2017年，段路明研究组刷新量子存储容量的国际记录，首次实现具有225个存储单元的原子量子存储器，将量子存储器存储容量的国际记录提高了一个多数量级；2018年，实现了25个量子接口之间的量子纠缠，将由加州理工学院保持的纪录提高了近6倍；并首次提出量子机器学习生成算法，证明了量子计算机能引起人工智能算法的指数加速。

2024年，段路明所在的的团队成功实现无串扰的量子网络节点。

段路明提出使用同种离子的双类型量子比特实现量子网络节点的方案。利用同种离子的两对超精细能级结构，分别编码出量子网络中用于与光子产生纠缠的“通讯比特”和用于存储信息的“存储比特”。同时，利用激光还实现了两种量子比特间微秒量级的相干转换。通过此方法制备出的通讯比特，可在数百毫秒的时间内生成离子-光子纠缠；通过自旋回波方法可延长存储比特的存储寿命，实现相干时间达到秒量级的存储量子比特。通过比较有无离子-光子纠缠生成操作时存储比特的保真度变化，研究人员证实了两种量子比特之间低于实验精度的串扰误差，从而实现了无串扰的量子网络节点。

2024年5月，段路明研究组在量子模拟计算领域取得重要突破，首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁冷却，以及300离子量子比特的量子模拟计算。

据2020年2月清华大学交叉信息研究院官网显示，段路明先后在物理学学术期刊发表论文180余篇（其中《物理评论快报》50余篇，《自然》8篇，《科学》3篇，《自然》、《科学》子刊10余篇），共被引用26000多次。

据2006年1月中国科学技术大学研究生招生办公室官网显示，段路明招生光学专业博士研究生。

段路明在清华大学交叉信息研究院讲授《量子计算机科学》课程。

2014年2月27日晚6点半，段路明在清华大学信息技术大楼多功能厅进行题为“从爱因斯坦-玻尔争论到量子信息前沿”的专题讲座。段教授首先详细阐释了爱因斯坦-玻尔争论、爱波罗悖论，之后论述了量子计算机的优越性在于能够打破经典计算机硬件局限性、进行高速自增并行计算、并且解决经典计算机无法求解的问题。同时，他还介绍并对比了物理体系的两大体系：量子系统与固体系统，并比较了量子网络的基于光子、基于原子团气体的量子中继、基于囚禁离子这三种物理实现方式。

段路明是世界量子科学领域前沿的科学家，成为这个领域引人注目的人物；他的多篇论文以全新的观点、独特的思路和对整个领域的杰出贡献，奏响了量子研究领域的一个又一个“高音”。（《光明日报》评）

段路明有良好的理论功底、敏捷的科学思维，成为中国科学技术大学最年轻的教授、博士生导师之一。（《光明日报》评）