Lai arī termins “kvants” tika lietots ilgi pirms kvantu fizikas rašanās (galvenokārt, lai apzīmētu zāļu vielu daudzumu medicīnā), savu specifisko nozīmi tas ieguva 20. gs. sākumā. Fizikā sākotnēji lietoja terminu “gaismas kvants“, kas apzīmēja mazāko iespējamo tālāk nedalāmo gaismas enerģijas daudzumu. 20. gs. 20. gados jēdziena lietojumu paplašināja, un mūsdienās tiek runāts par atoma kvantu stāvokļiem, enerģijas kvantēšanos u. c., ar to saprotot daļiņu un starojuma diskrētus stāvokļus (piemēram, aprakstot parādību, ka atoms nevar atrasties stāvoklī ar jebkuru enerģiju, bet tikai noteiktos stāvokļos ar diskrētām enerģijas vērtībām jeb diskrētos kvantu stāvokļos).

Kvantu fizika ir pamats cietvielu fizikas un atomu un molekulu fizikas pētniecībai. Kvantu fizika, izmantojot kvantu optikas principus, ļauj dziļāk izprast gaismas īpašības un tās mijiedarbību ar vielu. Kvantu fizika kā vispārēja teorija tiek pielietota dažādās pētniecības jomās, sākot no sarežģītu molekulu (arī bioloģisku) un cietas vielas uzbūves un īpašību izpētes līdz pat atoma kodola uzbūvei, elementārdaļiņu fizikai un fizikālo lauku teorijai. Bez kvantu fizikas nebūtu tranzistoru un tātad nebūtu datoru, mobilo telefonu un citu elektronisko ierīču. Bez kvantu fizikas nebūt lāzeru un tātad – kompaktdisku atskaņotāju. Bez precīziem atomu pulksteņiem nedarbotos globālā pozicionēšanas sistēma (GPS). Tuvākajos gados atkarība no kvantu fizikas kļūs vēl lielāka. Tiek konstruēti jauna tipa datori – kvantu datori, kas būs ne tikai ātrāki, bet risinās problēmas, kas ar mūsdienu tehniku nav atrisināmas (piemēram, kvantu datori spēs sadalīt ļoti lielu skaitli tā pirmreizinātājos galīgā laikā, kas ir šifrēšanas algoritmu, kā arī kredītkaršu PIN kodu drošības pamatā). Datu šifrēšanai aizvien plašāk izmantos kvantu sapītos stāvokļus, lai dati (gan personīgā informācija, gan valsts noslēpumi) kļūtu labāk aizsargāti.

Pēc izpētes objekta kvantu fiziku iedala kodolfizikā, kvantu optikā, atomu un molekulu fizikā, vielas uzbūves jeb ķīmiskajā fizikā, ja tiek aplūkotas sarežģītākas sistēmas, piemēram, komplicētas molekulas vai cieta viela. Kvantu fiziku var iedalīt arī pēc tā, kādi procesi tiek pētīti, piemēram, atomu un molekulu mijiedarbība ar elektromagnētisko starojumu, daļiņu mijiedarbība, tām saduroties savā starpā vai ar virsmām (sadursmju fizika). Kvantu fizika cieši saistīta ar relativitātes teoriju un augsto enerģiju fiziku, daļiņām un laukiem, kas visas kopā veido moderno fiziku.

Kvantu fizikas teorija balstās 20. gs. sākumā veiktajos pētījumos, kas pierādīja, ka gaismai, kuru līdz tam uzskatīja par elektromagnētisko vilni, bez viļņu īpašībām noteiktās situācijās var piemist arī daļiņas jeb korpuskulas īpašības. Pētījumiem attīstoties tālāk, tika konstatēts, ka arī elektronam, ko sākotnēji uzskatīja par daļiņu, noteiktos apstākļos var piemist viļņa īpašības. Šādu parādību sauc par daļiņas–viļņa duālismu un matemātiski apraksta ar kvantu fizikas pamatvienādojumu jeb Šrēdingera vienādojumu. Šrēdingera vienādojums kvantu fizikā ir tikpat nozīmīgs kā Ņūtona likums klasiskajā fizikā. Nerelatīvistiskajai kvantu mehānikai, kas darbojas tik ilgi, kamēr daļiņu kustības ātrumi ir mazi, salīdzinot ar gaismas ātrumu, iespējamas arī alternatīvas pieejas – tā var tikt formulēta kā Heizenberga matricu mehānika, kā stāvokļa blīvuma matricas teorija un citos veidos.

Ja daļiņas, kuru miera masa atšķirīga no nulles, kustas ar ātrumu, kas tuvs gaismas ātrumam, tad kvantu fizika tiek formulēta relatīvistiskajā tuvinājumā, un tās pamatvienādojums ir Diraka vienādojums. Nākamais līmenis kvantu teoriju hierarhiskajā struktūrā ir kvantu lauka teorijas, kas apvieno kvantu mehāniku ar Einšteina speciālo relativitātes teoriju. Lādētu daļiņu mijiedarbību, tām apmainoties ar virtuāliem fotoniem, apraksta kvantu elektrodinamika. Tā mūsdienās ir visprecīzākā teorija, lai raksturotu elektromagnētiskā starojuma mijiedarbību ar vielu. Lai aprakstītu kvarku mijiedarbību, tiem apmainoties ar virtuāliem gluoniem, tiek lietota kvantu hromodinamika. Mijiedarbību, kurā iesaistīti barioni un leptoni, apraksta vājā mijiedarbība, kuras procesā daļiņas apmainās ar virtuāliem W^± un Z⁰ bozoniem.

Mūsdienās viena no fizikas neatrisinātām problēmām ir kvantu fizikas apvienošana ar Einšteina vispārīgo relativitātes teoriju jeb gravitācijas mijiedarbības iekļaušana kopīgā fizikālās pasaules aprakstā. Šo apvienošanu mēģina panākt stīgu teorija.

Uz kvantu teorijām balstās elementārdaļiņu standarta modelis, kas elementārdaļiņu aprakstu reducē uz sešiem kvarkiem, sešiem leptoniem, uz šo daļiņu antidaļiņām un mijiedarbībām starp šīm daļiņām, kuras apraksta kā daļiņu apmaiņu ar bozoniem.

Kvantu fizikas teorētiskā apraksta daļā izmanto dažādas tuvinātas matemātiskās metodes kvantu mehānikas vienādojumu risināšanai. Šajos tuvinājumos lietojamās pieejas mainās atšķirībā no aprakstāmā objekta. Tās var būt gan pusempīriskas, kad aprakstā līdzās kvantu mehāniskam aprakstam tiek iekļauti empīriski iegūti eksperimentāli dati, gan arī t. s. ab initio metodes, kad objekta apraksts tiek veidots, balstoties tikai kvantu teorijas pamatpieņēmumos.

Eksperimentālajos pētījumos metožu dažādība ir daudz lielāka. Cietas vielas un organisku molekulu pētījumos izmanto spektrālās metodes dažādos elektromagnētiskā starojuma diapazonos, sākot no mikroviļņu diapazona līdz pat rentgenstaru diapazonam; spektroskopiju, izmantojot elektronus; elektronu un atomspēku mikroskopiju un tuneļmikroskopiju. Atomu un mazu molekulu pētījumos izmanto lāzeru spektroskopijas metodes, kā arī atomu un molekulu kūļus. Šīs metodes tiek lietotas arī atomu un molekulu pētniecībā ultrazemās temperatūrās un slazdotos stāvokļos, noturot daļiņas vai jonus īpašas konfigurācijas magnētiskajā vai elektriskajā laukā. Elementārdaļiņu pētījumos īpaša nozīme ir ar daļiņu paātrinātājiem saistītām metodēm. Paātrinātājos tiek organizētas paātrinātu daļiņu savstarpējas sadursmes vai arī to sadursmes ar cietu vielu. Līdzīgi kā spektrālās metodes, arī paātrinātāji var būt dažādi: gan pēc uzbūves (lineārie, kuros daļiņas kustas taisnā virzienā, vai liektie, kuros daļiņas kustas pa liektām trajektorijām), gan arī pēc tā, līdz cik lielām enerģijām daļiņas var tikt paātrinātas (sākot no nelieliem ciklotroniem, kuros daļiņas tiek paātrinātas līdz dažu desmitu MeV lielām enerģijām, līdz pat lielajam hadronu paātrinātājam, kura plānotā protonu sadursmju enerģija ir 14 TeV).

Kvantu fizikas pirmsākumi saistīti ar sengrieķu domātājiem. Taless (Θαλῆς) viens no pirmajiem izteica domu, ka vielai ir jābūt kādam pirmelementam. Dēmokrits (Δημόκριτος) uzskatīja, ka šim pirmelementam jābūt vismazākajai vienībai, no kurienes cēlies termins “atoms” (no grieķu atomos – ‘nedalāmais’). Zenons (Ζήνων) formulēja vairākus paradoksus (Grieķijā – aporijas), kas attīstīja domu par mazākajām vienībām, to attiecinot gan uz vielu, gan telpu, gan laiku. Mūsdienu kvantu fizikas pirmsākums ir 1900. gads, kad vācu fiziķis Makss Planks (Max Karl Ernst Ludwig Planck) publicēja pētījumu par sakarsētu ķermeņu starojumu. Šāds starotāja idealizēts modelis ir absolūti melns ķermenis. Planks konstatēja, ka no šāda ķermeņa izstarotai gaismai piemīt daļiņas īpašības. Tas bija pretrunā ar klasiskās fizikas priekšstatiem, kas gaismu uzskatīja par vilni. Lai pārvarētu šo pretrunu, M. Planks ieviesa gaismas kvanta jēdzienu. Tas bija pieņēmums, ka starotājs gaismu nevar izstarot nepārtraukti, bet porcijās. Porcijas jeb kvanta enerģijas E lielums atkarīgs no izstarotās gaismas frekvences v, un to izsaka ar vienādojumu:

Proporcionalitātes koeficients h – Planka konstante (h = 6.62607004 × 10^-34 m² kg/s). Sākotnēji šķita, ka šādu konceptuāli jaunu ideju nebūs iespējams savienot ar klasiskās fizikas priekšstatiem, taču drīz (1905) Vācijā dzimušais fiziķis Alberts Einšteins (Albert Einstein) deva skaidrojumu fotoefektam (fotoefekta rezultātā gaisma no metāla virsmas izrauj elektronus). Lai izskaidrotu elektronu atbrīvošanu no metāla, tam mijiedarbojoties ar gaismu, A. Einšteins pieņēma, ka gaismas korpuskula saduras ar vielā esošo elektronu un izsit to no vielas. Kvantu fizikas pamatpriekšstatus 20. gs. sākumā veidoja arī Jaunzēlandē dzimušā britu fiziķa Ernesta Rezerforda (Ernest Rutherford) un viņa līdzstrādnieku Hansa Geigera (Hans Geiger) un Ernesta Mārsdena (Ernest Marsden) 1913. gadā publicētie eksperimenti par alfa daļiņu (hēlija atoma kodolu) izkliedēšanos pēc sadursmes ar plānu metāla foliju. Balstoties uz šiem pētījumiem, dāņu fiziķis Nilss Bors (Niels Henrik David Bohr) 1913. gadā izveidoja pirmo atoma uzbūves modeli. Tas bija nepilnīgs un dažos aspektos ir pretrunā mūsdienu priekšstatiem par atoma uzbūvi, taču tas ļāva izskaidrot diskrēto enerģijas stāvokļu eksistenci atomos un uzskatāms par mūsdienu atomu uzbūves kvantu teorijas pirmsākumu. Jauns etaps kvantu fizikas attīstībā sākās 1924. gadā, kad franču fiziķis Luijs de Brojī (Louis Victor de Broglie) izteica hipotēzi, ka jebkurai daļiņai ar masu m, kustoties ar ātrumu v, piemīt viļņa īpašības (mūsdienās – de Brojī vilnis), un šī viļņa garums saistīts ar Planka konstanti h. De Brojī viļņa garumu saskaņā ar de Brojī hipotēzi aprēķina pēc formulas:

Ar šo hipotēzi sāka veidoties mūsdienu kvantu fizikas matemātiskais apraksts. Kad bija izvirzīta de Brojī hipotēze, radās nepieciešamība pēc vienādojuma, kam pakļautos de Brojī viļņi. Šādu vienādojumu formulēja un 1926. gadā publicēja austriešu fiziķis Ervīns Šrēdingers (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger). Mūsdienās Šrēdingera vienādojums ir viens no plašāk lietotajiem vienādojumiem kvantu fizikā un, iespējams, fizikā kopumā. Apvienojot kvantu fiziku ar relativitātes teoriju, angļu fiziķis Pols Diraks (Paul Adrien Maurice Dirac) 1928. gadā uzrakstīja relatīvistisko viļņu vienādojumu (mūsdienās – Diraka vienādojums). Līdz ar to kvantu fizika attīstīja vairākus priekšstatus, kas bija pretrunā makropasaulē un klasiskajā fizikā balstītajai pieredzei. Viens no šādiem priekšstatiem bija Heizenberga nenoteiktības sakarības, ko 1927. gadā matemātiski formulēja vācu fiziķis Verners Heizenbergs (Werner Karl Heisenberg). Saskaņā ar šo principu par daļiņām nav iespējams vienlaicīgi precīzi zināt vairākus fizikālus lielumus, piemēram, nav iespējams vienlaicīgi precīzi zināt, kur atrodas elektrons, kādā virzienā un ar kādu ātrumu tas kustas. Jo precīzāk zināma elektrona atrašanās vieta, jo aptuvenāk zināms tā ātrums. Robežu, cik precīzi šie lielumi vienlaicīgi zināmi, nosaka Planka konstante. 1935. gadā A. Einšteins un viņa kolēģi Boriss Podoļskis (Борис Яковлевич Подольский) un Natans Rozens (Nathan Rosen) formulēja jaunu kvantu fizikas priekšstatu – sapītā stāvokļa jēdzienu. Viņi domu eksperimentā pierādīja, ka daļiņas uzvedas nelokāli, t. i., noteiktos procesos vienlaicīgi radušās daļiņas var palikt noteiktā veidā saistītas pat tad, ja tās aizlidojušas tālu viena no otras. Šādu daļiņu saistību sauc par sapītu stāvokli. Pētījuma mērķis bija loģiskas analīzes ceļā parādīt šāda stāvokļa neiespējamību un demonstrēt kvantu fizikas ierobežotību. Šī analīze, kas pazīstama kā Einšteina–Podoļska–Rozena paradokss, ir viens no visvairāk diskutētajiem kvantu fizikas domu eksperimentiem. Diskusija aizsākās 20. gs. 30. gados ar A. Einšteina un N. Bora strīdu par kvantu fiziku. A. Einšteins kvantu fiziku neuzskatīja par harmonisku un loģisku teoriju un piedāvāja domu eksperimentus, kas, viņaprāt, demonstrēja šīs teorijas iekšējās pretrunas. Turpretī N. Bors centās parādīt kvantu fizikas iekšējo saskaņotību. A. Einšteinam sapītā stāvokļa eksistence likās neiespējama, jo tā bija pretrunā ar makropasaulē gūto pieredzi par to, ka divas daļiņas, ja tās ir bezgalīgi tālu viena no otras, viena otru ietekmēt nevar. Einšteina–Podoļska–Rozena paradoksa eksperimentāli pārbaudāmu risinājumu 1964. gadā piedāvāja īru fiziķis Džons Stjuarts Bells (John Stewart Bell), formulējot Bella nevienādības – matemātiskus ierobežojumus, kas ļauj pārliecināties, vai sapītie stāvokļi dabā eksistē vai ne. Ja Bella nevienādības eksperimentā tiktu pārkāptas, tad sapītie stāvokļi dabā eksistētu. Lai arī šie eksperimenti ir sarežģīti, kopš 1964. gada tas, ka Bella nevienādības eksperimentā tiek pārkāptas, ir pārbaudīts vairākas reizes, tādējādi diskusijā par kvantu mehānikas saskanīgumu uzvarēja N. Bora viedoklis.

Mūsdienās kvantu teorija ir eksperimentāli vislabāk pārbaudītā fizikas teorija: elektrona magnētiskā un mehāniskā momenta attiecība ir izmērīta ar precizitāti 13 cipari aiz komata (2,002 319 304 361 82+/- 0,00000000000052). Tas nozīmē, ka pirmie 13 cipari šajā skaitlī zināmi absolūti precīzi. Ir šaubas tikai par 14. un 15. ciparu. Balstoties kvantu elektrodinamikā un relatīvistiskajā kvantu fizikā, šo momentu attiecība izrēķināta arī teorētiski, iegūstot tieši tādu pašu skaitli, kas pierāda kvantu fizikas spēju precīzi aprakstīt procesus mikropasaulē.

Kvantu fizikas mūsdienu metodes ļauj iegūt atomus ļoti zemā temperatūrā – tikai dažus mikrokelvinus virs absolūtās nulles temperatūras, kas ir zemāka nekā Visumā dabiskos apstākļos sastopamo daļiņu zemākā temperatūra – 2,76 K (temperatūra, līdz kurai atdzisis Visums, izplešoties pēc Lielā sprādziena pirms 13,8 miljardiem gadu). Par atomu dzesēšanas metožu izveidi 1997. gadā amerikāņu fiziķi Stīvens Ču (Steven Chu) un Viljams Daniels Filipss (William Daniel Phillips), un franču fiziķis Klods Koens-Tanudži (Claude Cohen-Tannoudji) saņēma Nobela prēmiju fizikā. Dažus gadus vēlāk, sasniedzot atomu temperatūru, kas ir tikai daži simti nanokelvinu virs absolūtās nulles, tika iegūts jauns vielas stāvoklis – atomi Bozes–Einšteina kondensāta stāvoklī. Šādu vielas stāvokli jau 1924.–1925. gadā prognozēja indiešu fiziķis Satjendra Nats Bose (সত্যেন্দ্রনাথ বসু, Satyendra Nath Bose) un A. Einšteins. Vielai Bozes–Einšteina kondensāta stāvoklī rodas jaunas īpašības, kas atomu ansamblī visiem atomiem ir vienādas. Tas ļauj šādus atomus izmantot dažādiem nolūkiem, tai skaitā veidot atomu interferometrus, kuros gaismas vietā darbojas atomi, ļaujot palielināt interferometru precizitāti un tos izmantot, piemēram, gravitācijas viļņu detektēšanai. Par vielas Bozes–Einšteina kondensāta stāvoklī izpēti amerikāņu fiziķis Ēriks Kornels (Eric Allin Cornell), vācu – amerikāņu fiziķis Volfgangs Keterle (Wolfgang Ketterle) un amerikāņu fiziķis Karls Vīmens (Carl Edwin Wieman) 2001. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā. 2012. gadā Nobela prēmija piešķirta franču fiziķim Seržam Arošam (Serge Haroche) par pētījumiem ar individuāliem atomiem, kas ievietoti rezonatoros. Rezonatori ļauj precīzi kontrolētā veidā manipulēt ar individuāliem atomiem, nesagraujot to kvantu stāvokļus. S. Arošs prēmiju dalīja ar amerikāņu fiziķi Deividu Vainlendu (David Jeffrey Wineland), kurš elektriski lādētas daļiņas – atomus un jonus – līdzīgā veidā pētīja slazdotā stāvoklī elektriskā laukā. Šie pētījumi ļauj izveidot precīzus atomu pulksteņus laika mērījumiem un var tikt pielietoti kvantu datoros.

Neskatoties uz kvantu fizikas sasniegumiem, joprojām tiek diskutēts par kvantu fizikas konceptuālajiem pamatiem: daļiņas un viļņa duālismu; sapīto stāvokļu konceptu; tiek piedāvātas un apspriestas dažādas interpretācijas par de Brojī viļņu fizikālo jēgu. Interpretācija nav jauna teorija. Atšķirīgu teoriju patiesums pārbaudāms eksperimentāli, bet interpretācijas ir viena un tā paša matemātiskā formālisma dažādas izpratnes. Līdz ar to priekšroka kādai no kvantu fizikas interpretācijām nav dodama, eksperimentāli pārbaudot, bet tikai un vienīgi balstoties to iekšējā harmoniskumā. Daļiņas–viļņa duālisms ir viena no tēmām, par ko aktīvi tiek diskutēts ne tikai fiziķu vidū. Šajā diskusijā iesaistās gan zinātnes vēsturnieki, gan filozofi, gan sabiedrība. Kvantu fizikas priekšstati par pasauli iedvesmo arī māksliniekus. Piemēram, angļu dramaturga Maikla Freina (Michael Frayn) lugas “Kopenhāgena” (Copenhagen, 1998) sižeta pamatā ir divu izcilu fiziķu, kvantu fizikas pamatlicēju – N. Bora un V. Heizenberga – fizikā balstītas personiskās attiecības.

Gandrīz visās pasaules lielākajās universitātēs tiek veikti pētījumi kvantu fizikā vai tās pielietojumos citās fizikas nozarēs. Lielākie pētniecības institūti Vācijas Maksa Planka biedrībā (Max Planck Gesellschaft) ir Maksa Planka Mikrostruktūru Fizikas Institūts (Max Planck Institut für Mikrostrukturphysik) Hallē, Maksa Planka Cietvielu Fizikas Institūts (Max Planck Institut für Chemische Physik Fester Stoffe) Drēzdenē, Maksa Planka Fizikas Institūts (Max Planck Institut für Physik) Minhenē. Nozīmīgākās ASV nacionālās laboratorijas, kas nodarbojas ar pētījumiem kvantu fizikas jomā, ir Lorensa Bērklijas Nacionālā laboratorija (Lawrence Berkeley National Laboratory) Kalifornijā, Brukheivenes Nacionālā laboratorija (Brookhaven National Laboratory) Ņujorkā, Lorensa Livermoras Nacionālā laboratorija (Lawrence Livermore National Laboratory) Kalifornijā. Ar augsto enerģiju fiziku, daļiņu un lauku pētījumiem nodarbojas arī Eiropas kodolpētījumu organizācija (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) Ženēvā.

Svarīgākie pētījumi, kas saistīti ar kvantu fiziku un tās pielietojumiem, tiek publicēti izdevumos Nature (kopš 1869. gada, Nature Publishing Group), Science (kopš 1880. gada, American Association for the Advancement of Science), Nature Physics (kopš 2005. gada, Nature Publishing Group), Nature Photonics (kopš 2007. gada, Nature Publishing Group), Physical Review Letters (kopš 1958. gada, American Physical Society), Physical Review (kopš 1970. gada, American Physical Society), Journal of Physics (kopš 1968. gada, IOP Publishing), The European Physical Journal D (kopš 1998. gada, Springer) un citi.

Par mūsdienu kvantu fizikas pirmsākumiem angļu fiziķis P. Diraks savās atmiņās (1978) rakstījis, ka tas bija laiks, kad pat otršķirīgam fiziķim bija ļoti viegli radīt pirmšķirīgus darbus. Kopš tiem laikiem fizikā šāds brīnišķīgs laiks vairs nav atkārtojies. Šobrīd pat pirmklasīgam fiziķim ir ļoti grūti radīt kaut vai otršķirīgus darbus. Šīs P. Diraka atziņas nozīmē, ka kvantu fizikas pirmsākumus iezīmē ļoti daudz izcilu darbu un personību. Kvantu fizika iesākās ar divu pētnieku M. Planka un A. Einšteina ģeniālu intuīciju un hipotēzi par gaismas kvantu dabu. Nākamā priekštatu maiņa par mikropasauli bija L. de Brojī ideja, ka ne tikai gaismai līdzās viļņu dabai piemīt daļiņu daba, bet arī pretēji – visām daļiņām līdzās daļiņu dabai piemīt arī viļņu daba. Visbeidzot, izšķirošo impulsu mūsdienu pētījumiem kvantu fizikā deva V. Heizenberga un E. Šrēdingera alternatīvie kvantu fizikas matemātikā pamata formulējumi, kas vēlāk izrādījās ekvivalenti, t. i., pie viena un tā paša rezultāta vedoši.