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量子光学は、原子・分子・光物理学および量子化学の一分野であり、光子（光の個々の量子）の挙動を研究する。これには、光子の粒子のような性質や、原子や分子などとの相互作用の研究が含まれる。光子は、量子もつれやテレポーテーションなど、量子力学の直感に反する多くの予測を検証するために用いられており、量子情報処理のための有用な資源でもある。
限られた空間内を伝播する光は、そのエネルギーと運動量が光子と呼ばれる整数個の粒子に量子化される。量子光学は、光子と呼ばれる離散的な量子の集合としての光の性質と効果を研究する。この理解につながる最初の大きな進展は、マックス・プランクが1900年に黒体放射スペクトルをモデル化したことで、エネルギーは離散的な単位で放出されるという仮説が立てられた。光電効果は、アルバート・アインシュタインが1905年の論文で説明したように、この量子化のさらなる証拠であり、彼はこの発見により1921年にノーベル賞を受賞した。ニールス・ボーアは、光放射が量子化されているという仮説が、原子の量子化されたエネルギー準位に関する彼の理論、特に水素からの放電スペクトルに対応することを示した。これらの進展に続く光と物質の相互作用の理解は、量子力学全体の発展にとって極めて重要であった。しかし、量子力学の分野のうち、物質と光の相互作用を扱う分野は、主に光ではなく物質の研究とみなされていたため、1960年代には原子物理学や量子エレクトロニクスといった名称が用いられていた。レーザー科学、すなわちこれらの装置の原理、設計、応用に関する研究が重要な分野となり、レーザーの原理を支える量子力学は光の特性に重点を置いて研究されるようになり、量子光学という名称が一般的になった。
ディラックの量子場理論の研究に続き、ジョン・R・クラウダー、ジョージ・スダルシャン、ロイ・J・グラウバー、レナード・マンデルは、1950年代から1960年代にかけて、光検出と光の統計（コヒーレンス度を参照）をより詳細に理解するために、量子論を電磁場に適用した。これにより、古典的な描像で波を記述する電磁場を参照するだけでは光を完全に記述できないことが理解されるようになり、レーザー光、熱光、エキゾチックなスクイーズド状態などの変動を扱う概念として、コヒーレント状態が導入された。1977年、キンブルらは、一度に1つの光子を放出する単一の原子を実証し、光が光子から構成されているという説得力のある証拠をさらに強めた。その後、スクイーズド光など、古典的な状態とは異なる特性を持つ、これまで知られていなかった光の量子状態が発見された。
Qスイッチングやモード同期技術によって生成された短パルスおよび超短パルスレーザーの開発は、後に超高速プロセスとして知られるようになる現象の研究への道を開きました。[ 1 ]固体研究（例えばラマン分光法）への応用が見出され、物質に対する光の機械的力が研究されました。後者は、レーザービームによって原子の雲や小さな生物学的サンプルを光トラップや光ピンセットで浮遊および位置決めすることにつながりました。これは、ドップラー冷却やシシュポス冷却とともに、有名なボーズ・アインシュタイン凝縮を実現するために必要な重要な技術でした。
その他の注目すべき成果としては、量子もつれ、量子テレポーテーション、量子論理ゲートの実証が挙げられる。後者は量子情報理論において非常に興味深いものであり、この分野は量子光学と理論計算機科学から部分的に発展したものである。[ 2 ]
今日の量子光学研究者の関心分野には、パラメトリックダウンコンバージョン、パラメトリック発振、さらに短い（アト秒）光パルス、量子情報のための量子光学の利用、単一原子の操作、ボーズ・アインシュタイン凝縮体、その応用、およびそれらの操作方法（原子光学と呼ばれることが多いサブ分野）、コヒーレント完全吸収体など、多くの分野が含まれます。量子光学という用語で分類されるトピック、特に工学や技術革新に適用されるものは、しばしば現代ではフォトニクスという用語で呼ばれます。
量子光学の研究に対して、数々のノーベル賞が授与されてきました。受賞者は以下の通りです。
量子論によれば、光は電磁波であるだけでなく、光子と呼ばれる粒子の「流れ」でもあり、真空中の光速cで移動する。これらの粒子は古典的なビリヤードの球ではなく、有限領域に広がる波動関数によって記述される量子力学的な粒子として捉えるべきである。
各粒子は、 hfに等しい 1 量子のエネルギーを運びます。ここで、hはプランク定数、fは光の周波数です。単一の光子が持つそのエネルギーは、光子を放出した原子 (またはその他のシステム) 内の離散的なエネルギー準位間の遷移に正確に対応します。光子の物質吸収は、その逆のプロセスです。アインシュタインの自発放出の説明は、レーザーの原理である誘導放出の存在も予測しました。しかし、何年も後のメーザー(およびレーザー)の実際の発明は、反転分布を生成する方法に依存していました。
統計力学の利用は量子光学の概念の根幹をなすものであり、光は光子の生成と消滅のための場演算子、すなわち量子電磁力学の言葉で記述される。
光場のよく見られる状態は、1960 年にE.C. ジョージ・スダルシャンによって導入されたコヒーレント状態です。この状態は、レーザー閾値をはるかに超える単一周波数レーザーの出力を近似的に記述するために使用でき、ポアソン分布の光子数統計を示します。特定の非線形相互作用を介して、コヒーレント状態は、超ポアソン分布または準ポアソン分布の光子統計を示すスクイーズ演算子を適用することによって、スクイーズドコヒーレント状態に変換できます。このような光はスクイーズド光と呼ばれます。その他の重要な量子的側面は、異なるビーム間の光子統計の相関に関連しています。たとえば、自発的パラメトリック下方変換は、いわゆる「ツインビーム」を生成することができ、理想的には、一方のビームの各光子は、もう一方のビームの光子と関連付けられます。
原子は、離散的なエネルギー スペクトルを持つ量子力学的振動子とみなされ、アインシュタインの理論によれば、エネルギー固有状態間の遷移は光の吸収または放出によって引き起こされる。
固体物質については、固体物理学のエネルギーバンドモデルが用いられる。これは、実験で一般的に用いられる固体素子による光の検出メカニズムを理解する上で重要である。
量子エレクトロニクスは、主に 1950 年代から 1970 年代にかけて使用された用語で[ 8 ]、物質中の電子の挙動に対する量子力学の影響と、電子と光子との相互作用を扱う物理学の分野を指します。今日では、それ自体が独立したサブ分野とみなされることはほとんどなく、他の分野に吸収されています。固体物理学では、量子力学が定期的に考慮され、通常は電子に関係しています。電子工学における量子力学の具体的な応用は、半導体物理学で研究されています。この用語は、レーザー動作の基本プロセスも包含しており、これは今日では量子光学のトピックとして研究されています。この用語の使用は、量子ホール効果と量子セルオートマタに関する初期の研究と重なっていました。