תורת ההפרעות מסדר שני של דיראק עשויה לכלול פוטונים וירטואליים - מצבי-ביניים ארעיים של השדה האלקטרומגנטי. הפוטונים הווירטואליים מתווכים באינטראקציות החשמליות והמגנטיות הסטטיות. בתורות קוונטיות של השדות כגון אלה, אמפליטודת ההסתברות של אירועים נצפים מחושבת על ידי חיבור כל מצבי-הביניים האפשריים, אפילו אלה שאינם פיזיקליים. מכאן, פוטונים וירטואליים אינם מוכרחים לקיים את הנוסחה E = pc, ועשויים להיות להם מצבי קיטוב נוספים: שלושה או ארבעה מצבים כאלה (תלוי בכיול), במקום שניים בלבד בפוטונים אמיתיים. אף על פי שהפוטונים הווירטואליים אינם ברי-גילוי בניסוי, הם תורמים במידת-מה להסתברויות של אירועים. למעשה, חישובים הפרעתיים מסדר שני וגבוה יותר עשויים לתרום במידה אינסופית לסכום, ובכך לגרום לתוצאות שאינן פיזיקליות אשר ניתן לתקנן באמצעות רנורמליזציה. חלקיקים וירטואליים נוספים עשויים לתרום לסכום גם הם: לדוגמה, שני פוטונים עשויים לקיים אינטראקציה ביניהם באמצעות זוגות וירטואליים של אלקטרון ופוזיטרון. המילה "וירטואליים" מציינת כי החלקיקים מתאיינים לאחר פרק זמן קצר מספיק על-מנת שעקרון אי הוודאות "יפצה" על ההפרה של חוקי שימור האנרגיה והתנע.
בסימון מודרני, המצב הקוונטי של שדה אלקטרומגנטי נכתב כמכפלה טנזורית של המצבים של כל אחד מאופני התנודה האלקטרומגנטים:
כאשר formula_55 מייצג את המצב בו formula_56 פוטונים נמצאים באופן תנודה formula_57. בסימון זה, יצירתו של פוטון חדש (למשל פליטתו בעת מעבר אנרגיה באטום) באופן תנודה formula_57 נכתב בצורה formula_59. הסימון נועד לבטא את הרעיון של בורן, הייזנברג ויורדן שצוין לעיל, ואינו מחדש שום דבר מבחינה פיזיקלית.
שזירה: פוטונים כנושאי מידע קוונטי.
היתרון הגדול של הפורמליזם של הקוונטיזציה השנייה הוא, שהיא מאפשרת להתייחס בצורה נכונה לשזירה בין פוטונים. על פי תורת הקוונטים חלקיקים יכולים להיות במצבים שזורים (entangled) – כלומר, מקרים בהם מצב של חלקיק אחד תלוי במצב של חלקיקים אחרים, ומדידה של אחד מהם משפיעה על המצב של האחרים. דוגמה למצב כזה הוא מצב שבו שני פוטונים נמצאים בסופרפוזיציה קוונטית של שני מצבים: מצב בו שניהם בקיטוב מאונך, ומצב בו שניהם נמצאים בקיטוב מאוזן. מצב זה מסומן בקוונטיזציה שנייה באופן הבא:
כאשר 0 או 1 מציינים קיטוב אופקי או אנכי, ו-A,B מציינים את שני הפוטונים. כאשר שני פוטונים נמצאים במצב כזה, אזי במדידה של הקיטוב של כל אחד מהם יש סיכוי של חצי שהקיטוב יהיה אופקי או מקביל, אבל במקרה שהקיטוב של אחד נמדד כאנכי אזי בהכרח הקיטוב של השני גם הוא יהיה אנכי.
האופטיקה הקוונטית היא תחום מחקר בפיזיקה החוקר את תכונות השיזור בין הפוטונים. ישנם מספר שיטות ניסיוניות המאפשרות ליצור זוגות של פוטונים שזורים, שהמקובלת ביותר מביניהם היא על ידי שימוש בהמרה אופטית כלפי מטה (optical down conversion). בתהליך זה פוטון העובר דרך גביש נבלע ונפלטים שני פוטונים אשר סכום האנרגיות שלהם שווה לאנרגיה של הפוטון המקורי. הפוטונים המתקבלים שזורים זה בזה.
אופטיקה קוונטית הועלתה גם כאפשרות ליישום מערכות של חישובים קוונטיים. תחום המידע הקוונטי והחישובים הקוונטיים החל ברעיון של ריצ'רד פיינמן לפיו ביצוע של חישובים במערכות שזורות, דומה לביצוע מספר רב של חישובים במקביל. בעקבות רעיון זה נמצאו אכן במהרה מספר אלגוריתמים המאפשרים ביצוע פעולות חישוב בעזרת חישובים קוונטיים, בצורה מהירה הרבה יותר מאשר חישובים במחשבים קלאסיים - כולל אלגוריתם לפירוק מהיר של מספר לרכיבים ראשוניים. בעקבות עבודות תאורטיות אלו החל מאמץ גדול ליישם מחשבים קוונטיים, והועלו מספר רב של מערכות כמועמדים למחשבים קוונטיים הכוללות MRI, מלכודות יונים, נקודות קוונטיות (quantum dots) וכן שיטות אופטיות. רעיונות אחרים הנוגעים לשימושים במידע קוונטי הם הצפנה קוונטית וטלפורטציה. הצפנה קוונטית מסתמכת על כך שבתורת הקוונטים, מדידה משפיעה על המצב של מערכת. על בסיס הרעיון הזה הומצאו פרוטוקולים של התקשרות באמצעות מידע קוונטי המבטיחים שאם גורם כלשהו מנסה להאזין להתקשרות, ניתן יהיה להבחין בכך. טלפורטציה קוונטית, שמקורה בפרדוקס EPR (איינשטיין פודולסקי רוזן) מקורה ברעיון לפיו ניתן ליצור חלקיקים השזורים זה בזה ולהביא אותם למרחק רב זה מזה, ולאחר מכן ביצוע פעולות על אחד מהם ישפיע גם על השני. בדרך זו ניתן, תאורטית, להעביר אינפורמציה על פני מרחקים גדולים במהירות רבה.
יתרונם של פוטונים כנושאי מידע קוונטי הוא בכך שהאינטראקציה בינם לסביבה קטנה ביותר, ומשום כך מידע קוונטי המאוחסן בפוטונים יהיה עמיד מאוד לרעש (decoherence). משום כך פוטונים נחשבים ככלי מועדף להעברה של מידע קוונטי על פני מרחקים גדולים, דבר הנחוץ בשביל תקשורת קוונטית ובשביל טלפורטציה קוונטית. אך יתרון זה הוא גם חיסרון: מכיוון שהאינטראקציה בין פוטונים לבין הסביבה קטנה מאוד, קשה מאוד לבצע על פוטונים פעולות חישוב, וכן קשה מאוד לייצר מצבים בהם מספר רב של פוטונים שזורים.
הפוטון כבוזון כיול.
את השדה האלקטרומגנטי ניתן להבין כשדה כיול, כלומר שדה הנובע מהדרישה לסימטריה בלתי-תלויה בכל נקודה במרחב-זמן. סימטריית הכיול של השדה האלקטרומגנטי היא סימטריית U(1)‎ אבלית של מספר מרוכב, אשר משקפת את היכולת לשנות את המופע של מספר מרוכב בלי לשנות את המספר הממשי הנובע ממנו, כגון אנרגיה או הלגראנז'יאן.
הערכים הקטנים ביותר של שדה כיול אבלי חייבים להיות בוזונים חסרי מסה ומטען, כל עוד הסימטריה אינה שבורה; מכאן נוכל להסיק כי הפוטון יהיה חסר מסה, בעל מטען חשמלי אפס וספין שלם. במקרה הספציפי של הכוח האלקטרומגנטי, לפוטון צריך להיות ספין ±1, ולכן הרכיב שלו שנמדד בכיוון התנועה חייב להיות formula_15. שתי האפשרויות (פלוס ומינוס) מתאימות לשני מצבי הקיטוב המעגלי של הפוטון (ימני ושמאלי). לפוטונים הווירטואליים (אשר תוארו בסעיף הקודם) עשויים להיות מצבי קיטוב נוספים, לא-פיזיקליים.
במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הפוטון הוא אחד מארבעה בוזוני הכיול של הכוח האלקטרו-חלש. השלושה האחרים מסומנים W+, W- ו-Z0 והם אחראים לפעולתו של הכוח החלש. שלא כמו הפוטון, לבוזוני הכיול האחרים יש מסת מנוחה, מכיוון שסימטריית הכיול SU(2)‎ שלהם שבורה. איחוד הפוטון עם בוזוני הכיול W ו-Z במסגרת הכוח האלקטרו-חלש בוצע על ידי שלדון לי גלשאו, עבדוס סלאם וסטיבן ויינברג, ובזכותו הם קיבלו את פרס נובל לפיזיקה ב-1979. הפיזיקאים ממשיכים לנסות למצוא תאוריה מאוחדת גדולה אשר תאחד בין ארבעת בוזוני הכיול המוזכרים לעיל לבין שמונת הגלואונים המתוארים בכרומודינמיקה הקוונטית - אך ניבויים חשובים של התאוריות הללו, כגון התפרקות פרוטון, לא נצפו בניסוי.
תרומות למסה של מערכת.
מערכת הפולטת פוטון מאבדת כמות אנרגיה השווה לאנרגיה E של הפוטון, כפי שנמדדה במערכת הייחוס שבה נמצאת המערכת הפולטת במנוחה. איבוד האנרגיה שקול לאיבוד מסה בכמות E / c2. בדומה, בליעת פוטון שקולה לרכישת מסה בכמות מתאימה.
קונספט זה מעורב בתחזית חשובה של האלקטרודינמיקה הקוונטית. התאוריה מצליחה לחזות את מומנט הדיפול המגנטי של לפטונים ברמת דיוק גבוהה במיוחד; מדידות ניסיוניות של מומנט הדיפול המגנטי תאמו את התחזיות בצורה מושלמת. התחזיות דורשות להביא בחשבון את התרומה של פוטונים וירטואליים למסה של הלפטון. דוגמה נוספת לתרומה כזו אשר אושרה בניסוי היא הסחת לם אשר נצפה במבנה העל-דק של זוגות לפטונים קשורים, כגון מיואוניום (אטום אקזוטי המורכב מאנטי-מיואון ואלקטרון) ופוזיטרוניום (אטום אקזוטי המורכב מאלקטרון ופוזיטרון).
מאחר שפוטונים תורמים לטנזור המאמץ והאנרגיה, הם מפעילים משיכה כבידתית על עצמים אחרים, לפי תורת היחסות הכללית. גם להפך, הפוטונים עצמם מושפעים מהכבידה; מסלוליהם, הישרים בדרך כלל, עשויים להתעקם על ידי מרחב-זמן מעוקם (עובדה ששימשה כהוכחה הראשונה לנכונותה של תורת היחסות הכללית), תופעה הבאה לידי ביטוי בעידוש כבידתי. כמו כן, תדירותם עשויה להפוך נמוכה יותר (לעבור הסחה לאדום) על ידי מעבר לפוטנציאל כבידתי גבוה יותר, כגון בניסוי פאונד-רבקה. אפקטים אלו אינם ייחודיים למודל הפוטונים; אותם אפקטים בדיוק נחזים על ידי המודל הקלאסי של גל אלקטרומגנטי.
פוטונים בחומר.
אור שעובר דרך חומר שקוף נע במהירות נמוכה ממהירות האור בריק. לדוגמה, פוטונים חווים התנגשויות רבות כל כך בדרכם מליבת השמש, שעשויות לעבור מיליון שנה עד שהם יגיעו אל פני השטח; אך ברגע שהם הגיעו לחלל הפתוח, הם יעברו את המרחק עד כדור הארץ ב-8.3 דקות בלבד. הגורם בו מוקטנת המהירות נקרא מקדם השבירה של החומר. לפי מודל הגל הקלאסי, ניתן להסביר את ההאטה בכך שהאור יוצר קיטוב חשמלי בחומר, החומר המקוטב מקרין אור חדש, והאור החדש יוצר התאבכות עם גל האור הישן וגורם לעיכובו. הסבר נוסף הוא שבתור קרינה אלקטרומגנטית, מהירות התפשטותו של גל האור נתונה על ידי משוואות מקסוול: formula_62 כאשר formula_63 הוא המקדם הדיאלקטרי ו-formula_64 הוא מקדם הפרמביליות. בחומר, מקדמים אלה שונים מערכם בוואקום, ולכן מהירות הפוטון שונה. במודל החלקיקי, ניתן לתאר את ההאטה כערבוב של הפוטון עם עירורים קוונטים של החומר (דמוי-חלקיקים כגון פונונים ואקסיטונים) ליצירת פולריטון; לפולריטון יש מסה אפקטיבית שונה מאפס, ולכן אינו יכול לנוע במהירות "c". אור בתדירויות שונות עשוי לנוע בחומר במהירויות שונות; אפקט זה נקרא נפיצה. מהירות ההתפשטות של הפולריטון, formula_65, זהה למהירות החבורה שלו, שהיא הנגזרת של האנרגיה לפי התנע: