​Au début des années 1990, il apporte des contributions pionnières à l'auto-assemblage de boîtes quantiques par croissance épitaxiale et à leur étude par spectroscopie optique. En intégrant ces « atomes artificiels » au sein d'une microcavité optique, il observe en 1997 l'« effet Purcell », qui se traduit par une exaltation de l'émission spontanée, et invente un protocole simple permettant de générer à la demande des impulsions à un photon. En 2001, il présente la première source monomode de photons uniques. Ce composant nouveau, qui repose pour la première fois sur un effet d' « électrodynamique quantique en cavité », exploite l'émission d'une boîte quantique en régime d'effet Purcell dans un micropilier (ou nanofil). Plus récemment, il a mis en lumière l'intérêt des fils photoniques, nanostructures originales qui ouvrent des perspectives très prometteuses en optique quantique et en optomécanique.

En mariant nanostructures et optique quantique, Jean-Michel Gérard a contribué à faire émerger la nanophotonique quantique, aujourd'hui en plein essor.