Atklājums, ka, gaismai izplatoties vidē, līdzās viļņu īpašībām, ko pēta klasiskā optika, var parādīties arī korpuskulāra daba, radās 20. gs. sākumā. Vācu fiziķis Makss Planks (Max Karl Ernst Ludwig Planck) 1900. gadā pirmo reizi izteica ideju, ka gaisma var izstarot diskrētu enerģijas porciju gaismas kvantu formā. Lai raksturotu, cik daudz enerģijas ir gaismas kvantā, M. Planks ieviesa jaunu konstanti, kas vēlāk tika nosaukta viņa vārdā – par Planka konstanti. Par šo atklājumu 1918. gadā M. Planks saņēma Nobela prēmiju. Šobrīd Planka konstante ir viena no visprecīzākajām fizikas fundamentālajām konstantēm. Tās skaitliskā vērtība ir 6,62607015×10⁻³⁴ džouli reiz sekunde (J.s). Saskaņā ar jaunajiem SI mērvienību sistēmas veidošanas principiem, sākot no 20.05.2019., Planka konstantes vērtība ir definēts lielums, ko izmanto, lai noteiktu citu mērvienību, piemēram, kilograma, lielumu.

1905. gadā cits vācu fiziķis – Alberts Einšteins (Albert Einstein) – paplašināja gaismas kvanta jēdzienu, pieņemot, ka gaismas kvantu daba izpaužas ne tikai gaismas izstarošanas procesā, bet šī kvantu daba saglabājas arī, gaismai izplatoties brīvā telpā un vēlāk mijiedarbojoties ar vielu, ko tā sastop savā ceļā. Šo ideju A. Einšteins lika pamatā savai teorijai, kas izskaidroja fotoefektu – parādību, kad gaismas kvanti, krītot uz cietu vielu, atbrīvo tajā esošos elektronus. Par fotoefekta parādības skaidrojumu A. Einšteins 1921. gadā saņēma Nobela prēmiju.

No kvantu optikas fizikā ienākuši gan daudzi jauni konceptuāli jēdzieni, gan arī praksē pielietojamas metodes. Viens no konceptuāliem jēdzieniem ir “daļiņas un viļņa duālisms”. Tā būtību labi ilustrē fakts, ka gaisma noteiktās eksperimentālās situācijās var izrādīt viļņu dabu, piemēram, apliecot šķēršļus (gaismas difrakcijas parādība) vai arī viļņiem vienam otru dzēšot, vai citā situācijā vienam otru pastiprinot (gaismas interferences parādība). Taču citās situācijās (piemēram, fotoefekta gadījumā) gaisma var izpaust savu fotonu jeb gaismas kvantu dabu. T. i., gaisma var izpausties kā daļiņu plūsma. Tāpat gaisma var dažādi mijiedarboties ar vielu. Pie noteiktiem nosacījumiem, piemēram, ja gaismas kvanta enerģija sakrīt ar enerģijas starpību starp diskrētiem atoma stāvokļiem, gaismas kvanti var tikt absorbēti. Tāpat atoms var spontāni izstarot gaismas kvantu. Taču šī izstarošana var notikt, arī atomam mijiedarbojoties ar citu uz atomu krītošu ārēju gaismas kvantu. To sauc par inducēto fotona izstarošanu. Starojumu inducējošais fotons var nebūt reāls fotons, bet gan daļa no fizikāla vakuuma, kurā atrodami virtuāli fotoni ar visām iespējamām enerģijām. Tomēr to mijiedarbība ar vielu var izraisīt reālus efektus, tai skaitā atoma enerģijas līmeņu nobīdi (Lemba nobīdi) un atomu pāreju starp tā enerģijas līmeņiem.

Kvantu optikas attīstība radījusi daudzus atklājumus, kas ir nozīmīgi kvantu fizikai kopumā un paplašina izpratni par fizikālās pasaules likumsakarībām. Tā ļāva rast konkrētas kvantitatīvas atbildes uz jautājumiem, kas tika formulēti Nīlsa Bora (Niels Henrik David Bohr) un A. Einšteina daudzu gadu garumā risinātajā diskusijā par kvantu mehānikas konceptuāliem jautājumiem. Šajā diskusijā A. Einšteins iebilda pret kvantu fizikas nelokālo dabu, kas izpaužas kā saistība starp kvantu objektiem, kas ir lielāka, nekā to pieļauj klasiskās fizikas likumi. Šī saistība starp kvantu objektu parametriem nemazinās arī tad, kad objekti atrodas ļoti tālu viens no otra. A. Einšteins šo parādību nosauca par dīvaino iedarbību no attāluma (spooky action at a distance). Lai analizētu šo kvantu fizikas negaidīto izpausmi, A. Einšteins kopā ar kolēģiem Borisu Podoļski (Boris Podolsky, arī Борис Яковлевич Подoльский) un Neitanu Rozenu (Nathan Rosen, arī נתן רוזן) formulēja domu eksperimentu, kas ieguvis nosaukumu – EPR (pēc autoru uzvārdu pirmajiem burtiem) paradokss. Tā būtība ir demonstrēt pretrunu starp klasiskās fizikas priekšstatiem par to, cik spēcīga var būt saistība starp tālu esošiem objektiem un kvantu fizikas paredzējumiem. Saka, ka šādi kvantu objekti atrodas sapītā stāvoklī.

EPR paradoksu tālāk analizēja britu fiziķis Džons Bells (John Stewart Bell), kurš 1964. gadā matemātiski formulēja šīs kvantu saistības starp objektiem tādā veidā, ka padarīja tās mērāmas. Pēc Bella nevienādību formulēšanas, izmantojot gaismas kvantu fotonus sapītos stāvokļos, šīs nevienādības tika mērītas eksperimentos. Pirmo eksperimentu Bella nevienādību pārbaudei ar fotoniem veica Džons Klosers (John Francis Clauser) un Stjuarts Frīdmens (Stuart Jay Freedman) 1972. gadā, sīkāk tās izpētīja Alēns Aspē (Alain Aspect) ar kolēģiem 1981. gadā. Vēlākos gados šie mērījumi atkārtoti ar aizvien pieaugošu precizitāti. Visaktīvāk Bella nevienādību eksperimentālai pārbaudei pievērsies austriešu fiziķis Antons Ceilingers (Anton Zeilinger).

Tāpat kvantu optikā tiek izmantoti tādi jēdzieni kā fotona koherenti stāvokļi jeb stāvokļi, kas ir visvairāk līdzīgi gaismai klasiskajā optikā. Tiem pretstats ir Foka stāvokļi kvantu optikā, kuru galvenā iezīme, ka šajos stāvokļos precīzi nosakāms fotonu vai gaismas kvantu skaits starojumā.

Mūsdienu kvantu tehnoloģijas ļauj modificēt gaismas kvantu stāvokļus un radīt tādus, kas ļauj uzlabot tehnoloģiskos pielietojumus. Piemēram, ir iespējams radīt tā saucamos saspiestos gaismas stāvokļus jeb saspiesto gaismu (squeezed state, squeezed light). Tie ļauj samazināt gaismas noteiktu raksturlielumu fluktuāciju un līdz ar to uzlabot to mērījumu precizitāti, kuros šo gaismu izmanto.

Kvantu optikas principi ir lāzera darbības pamatā. Lāzera ideja radās jau kvantu optikas pirmsākumos. 1964. gadā par šiem pētījumiem trīs fiziķi ‒ Čārlzs Taunss (Charles Hard Townes), Nikolajs Basovs (Николaй Геннaдиевич Бaсов) un Aleksandrs Prohorovs (Алексaндр Михaйлович Прoхоров) ‒ saņēma Nobela prēmiju.

Lāzera darbības idejas formulējums bija diezgan sarežģīts un ārpus profesionāļu vides grūti uztverams, taču pamatideja bija vienkārša. Prēmija tika piešķirta par pētījumiem, kas noveda pie lāzera izgudrošanas. Lāzers mūsdienās tiek izmantots daudzās iekārtās – drukas iekārtās, kompaktdisku atskaņotājos, lāzeru tālmēros ģeodēzijā un celtniecībā, acs ķirurģijas iekārtās, metālapstrādes instrumentos un daudzās citās iekārtās, tajā skaitā telekomunikācijā un signālu pārvadīšanā optiskajos kabeļos gan sadzīvē, gan starpkontinentālajos sakaru kanālos.

Labi iezīmējušies arī kvantu optikas potenciālie pielietojumi nākotnes kvantu tehnoloģijās. Tā ir gan fotonos balstīta kvantu kriptogrāfija, kas var nodrošināt praktiski neuzlaužamus šifrētu sakaru kanālus, gan dažādi sensori. Kvantu optika tiek izmantota arī komponenšu realizācijā kvantu datoros.

Vairāki ar kvantu optikas problemātiku saistītu pētījumu autori 20. gs. beigās un 21. gs. ieguvuši Nobela prēmiju. 1997. gadā Nobela prēmiju fizikā par atomu dzesēšanu un slazdošanu, izmantojot gaismu, saņēma Stīvens Čū (Steven Chu), Klods Koens-Tanudži (Claude Cohen-Tannoudji) un Viljams Filipss (William Daniel Phillips). 2001. gadā Nobela prēmiju fizikā saņēma Volfgangs Keterle (Wolfgang Ketterle), Ēriks Kornels (Eric Allin Cornell) un Karls Vīmens (Carl Wieman), kuriem pirmajiem, izmantojot atomu mijiedarbību ar gaismu, izdevās radīt vielu īpašā stāvoklī, ko sauc par Bozes–Einšteina kondensātu. 2005. gadā Nobela prēmiju fizikā saņēma Teodors Henšs (Theodor Wolfgang Hänsch), Rojs Glaubers (Roy Jay Glauber) un Džons Holls (John Lewis Hall). Šī Nobela prēmija piešķirta uzreiz par diviem sasniegumiem. R. Glaubers to saņēma par gaismas kvantu teorijas tālāku attīstību, bet T. Henšs un Dž. Holls – par lāzeru starojuma izmantošanu vielas izpētē un tā saucamās lāzeru ķemmes izveidošanu, kas ļauj iegūt ļoti precīzus lāzera starojuma impulsus. 2012. gadā Seržs Arošs (Serge Haroche) un Deivids Vainlends (David Jeffrey Wineland) saņēma Nobela prēmiju fizikā par atklājumiem, kas ļāva darboties ar atsevišķiem kvantu objektiem. S. Aroša gadījumā tie bija individuāli gaismas kvanti.

Kvantu optika turpina strauji attīstīties, un kvantu optikas metodes aktīvi tiek pilnveidotas, piemēram, lai uzlabotu precizitāti esošajos gravitācijas viļņu detektoros, kuru darbības pamatā ir gaismas interference. Tiek domāts par to, lai izveidotu kvantu optikā balstītus jauna tipa gravitācijas viļņu detektorus. Šajā virzienā ļoti aktīvi stādā Marks Kasevičs (Mark Kasevich) Stenforda Universitātē (Stanford University) Kalifornijā. Tāpat kvantu optikā balstītas kvantu tehnoloģijas tiek izmantotas, lai meklētu tumšo matēriju, kas pati gaismu neizstaro, bet veido lielu daļu no visumā esošās vielas. Nozīmīgākie pētnieki, kas šobrīd veic šādus pētījumus, ir no ASV daļiņu fizikas un paātrinātāju tehnoloģiju centra Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory).

Daļa no teorētiskajiem pētījumiem kvantu optikā balstās kvantu elektrodinamikas metodēs, kuru matemātiskā formālisma pamatā ir operatoru tehnika, tai skaitā gaismas kvantu radīšanas un anihilācijas operatori.

Eksperimentālos pielietojumos kvantu optika izmanto daudzus lāzeru un nelineārās optikas instrumentus, tai skaitā fotonu sapīto pāru radīšanas metodes, kas balstās fotonu konversijā nelineāros kristālos, kad no viena fotona var veidoties divu fotonu sapīts pāris.

Kvantu optika attīsta tādus virzienus kā neklasiskas gaismas apraksta teorijas, optiskā fāzu telpa, elektromagnētiskā starojuma kvantēšanās, Foka stāvokļi, kuros gaismai ir precīzi noteikts fotonu skaits un gaismas koherentie stāvokļi (gaismas kvantu stāvokļi, kuru īpašības ir līdzīgas klasiska elektromagnētisā viļņa īpašībām). Šie stāvokļi ir ļoti noderīgi tad, kad ir nepieciešams salīdzināt teorētiskos paredzējumu, kas izriet no klasiskās optikas, ar tiem, ko dod kvantu optikas teorijas. Tāpat ļoti nozīmīga ir kvantu optikas attīstītā gaismas saspiesto stāvokļu teorija. Tā ļauj domāt par dažādu ļoti augstas precizitātes interferometru darbības precizitātes vēl tālāku palielināšanu.

Pētījumi kvantu optikā šobrīd notiek ļoti plaši. Tie tiek veikti visās nozīmīgākajās pasaules universitātēs. Šobrīd visaktīvāk pētījumi notiek un izcilākie rezultāti sasniegti Amerikas Nacionālā standartu institūta (National Institute of Standards and Technology, NIST) Kvantu optikas grupā (Quantum Optics Group), Šveices Federālā tehnoloģiju institūta Cīrihē (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) Kvantu optikas grupā (Quantum Optics Group), Vīnes Kvantu zinātnes un tehnoloģiju centrā (Vienna Center for Quantum Science and Technology, VCQ), Maksa Planka Kvantu optikas institūtā (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) Vācijā, Teksasas A&M Universitātē (Texas A&M University), Prinstonas Universitātē (Princeton University), Stenforda Universitātē un Hārvarda Universitātē (Harvard University).

Lai saprastu, kā profesionālā līmenī šobrīd tiek aprakstīti jaunākie sasniegumi kvantu optikā, nozīmīgākie informācijas avoti ir žurnāli Nature, Science (kopš 1880. gada) un Nature Photonics (kopš 2007. gada). Nedaudz populārzinātniski, bet ļoti augstā līmenī un profesionāli, precīzi uzrakstīti raksti par kvantu optiku atrodami Amerikas Fizikas biedrības (American Physical Society) izdotā žurnālā Physics Today (kopš 1948. gada) un Lielbritānijas Fizikas institūta (Institute of Physics, tā Lielbritānijā sauc Fizikas biedrību) izdotajā žurnālā Physics World (kopš 1988. gada).

Bez iepriekš jau ieminētajiem kvantu optikas jomā šobrīd strādā arī vairāki citi nozīmīgi pētnieki: Žans Dalibārs (Jean Dalibard), Marlēns Skallijs (Marlan Orvil Scully), Pīters Naits (Peter Knight), Žans Mišels Reimonds (Jean-Michel Raimond), Imanuels Blohs (Immanuel Bloch) un daudzi citi.