光子是一种基本粒子，是电磁辐射的量子，包括可见光、无线电波和伽马射线的量子。在量子场论中，光子是电磁场的一种激发。在标准模型中，光子传递电磁相互作用。光子的静止质量为零，不带电荷，但携带能量和动量。它们既以波的形式传播，又以离散的方式交换能量，因此在辐射的量子描述中占据核心地位。(home.web.cern.ch)
历史发展
光子概念源于仅用经典物理解释辐射时遇到的困难。1900年，马克斯·普朗克在研究黑体辐射时引入了能量量子化，将能量增量与辐射频率联系起来。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦提出，光本身可以表现为离散、局域化的能量量子。这一假说解释了光电效应的重要特征；在这一效应中，光照使电子从材料中逸出。爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖，该奖于1922年颁发，获奖尤其是因为他发现了支配这一效应的定律。(nobelprize.org)
阿瑟·康普顿于1923年开展的康普顿散射研究进一步增强了相关证据。将相互作用视为光子与电子之间遵守能量和动量守恒的碰撞，就可以解释散射后X射线波长的变化。吉尔伯特·N. 刘易斯在1926年的论文《光子的守恒》中引入了“光子”（photon）一词。随后，现代场论描述将辐射的粒子性质与其波动行为联系起来。(nobelprize.org)
能量、动量与偏振
对于频率确定的光子，其能量为
其中， 是普朗克常数， 是频率， 是真空中的光速， 是真空波长。因此，频率越高的光子携带的能量越大。电磁波谱按频率或波长对辐射进行分类；波谱中的不同区域并不代表不同种类的基本粒子。无线电波光子与伽马射线光子的主要区别在于能量，而非其基本粒子身份。(imagine.gsfc.nasa.gov)
光子在真空中以 的速度传播，约为每秒 米。静止质量为零并不意味着能量或动量为零：康普顿散射直接涉及动量传递。还应区分单个光子的能量与光脉冲的总能量，因为一个光脉冲可以包含许多光子。(imagine.gsfc.nasa.gov)
光子是自旋为1的玻色子。其内禀自旋角动量与偏振有关。对于给定的传播方向，自由传播的光具有两个独立的横向偏振分量。水平线偏振和垂直线偏振可以构成一组基；一般的偏振态可表示为这些基态的叠加。作为玻色子，光子可以占据同一个量子态，这与受不相容原理支配的粒子不同。(atlas-public.web.cern.ch)
波动行为与量子测量
将光子视为沿预定路径运动的微小经典物体，并不能充分描述它们。量子力学通过量子态来描述可能的测量结果。即使光子逐个通过实验装置，仍然可以观察到波动性的干涉。在双缝实验中，尽管每次记录到的探测事件都发生在局部位置，但一个个探测结果会逐渐累积成干涉图样。使用单光子源的实验已经证实了单次探测与整体统计结构之间的这种关系。(nist.gov)
如果测量能够可靠地区分不同的可能路径，这些路径之间的干涉就会消失。这一关系将干涉可见度与测量装置获取的信息联系起来，而不是与有意识的观察者联系起来。相关的量子描述既涉及光，也涉及光与装置之间的物理相互作用。(nist.gov)
场的描述为这些观测结果提供了统一框架。光子是场的量子激发，而不是附带着经典波的经典粒子。波的传播与离散的探测事件，是这一描述中相互补充的两个方面。(home.web.cern.ch)
与物质的相互作用
物质通过吸收和发射光子与辐射交换能量。在原子中，辐射跃迁连接不同的离散能级，产生特征谱线。因此，光子波长和跃迁概率的测量是光谱学的基础；光谱学通过原子发出的辐射来识别和研究其结构。原子光谱数据库记录了相关的波长、能级和跃迁概率。(nist.gov)
光子也可以通过光电吸收或散射向电子传递能量。当能量足够高时，相互作用可以产生粒子—反粒子对。散射、光电吸收和电子对产生的相对重要性取决于光子能量及所涉及的材料；这些过程决定了光子束的衰减程度。(nist.gov)
在受激发射中，入射辐射促使处于激发态的系统向受激模式发射额外的辐射。这一过程提供了激光的放大机制。在实际激光器中，能量被输入工作介质，光学反馈则支持放大过程，使其形成有序的输出光束。(nist.gov)
探测与量子技术
单光子探测器将单次光相互作用转化为可测量的电信号。相关技术包括雪崩光电二极管、超导纳米线探测器和转变边缘传感器。有些探测器只能记录光子的到达，而不能确定光子数；光子数分辨探测器则能够区分一个脉冲中的多个光子。探测效率、噪声、死时间及其他响应特性，会影响测量结果对入射光的反映有多准确。(nist.gov)
光子也能携带量子信息。两个偏振态可以编码一个量子比特，而相关光子对可用于涉及量子纠缠的实验。光源、光学元件和高灵敏度探测器使量子密钥分发、量子隐形传态以及量子关联检验等应用成为可能。这些应用的实现依赖于在单光子层面控制光子的产生、传输和测量。(cds.cern.ch)