Quantentechnologien sind im Begriff sich von Laborversuchen zu effizienten Anwendungen zu entwickeln. Die Quantenzustände einzelner Photonen spielen dabei die Rolle als Bindeglied zwischen stationären Quantensystemen. Ein hybrider Ansatz wird verfolgt, um die Wechselwirkung gezielt zwischen im Wellenleiter geleiteten Photonen und gekoppelten Quantenemittern zu erreichen. Die Dissertation untersucht zwei zentrale Aspekte solcher hybriden photonischen Quantentechnologien: die effiziente Erzeugung von Photonen und die Optimierung von photonischen Strukturen. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Entwicklung einer optischen Mikrotechnology. Integrierte nano-photonische Wellenleiter aus Siliziumnitrid wurden für die Kopplung zu Quantenemittern entworfen, optimiert und optisch untersucht. Das finale Design wurde erfolgreich in Kopplungsexperimenten verwendet, bei denen 42 % der Fluoreszenz eines einzelnen Moleküls an einen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der zweite Teil der Arbeit untersucht zwei Einzelphotonenquellen. Zunächst wurde ein neuartiger Einzelphotonenemitter basierend auf Defektzentren in Zinkoxid optisch bei tiefen Temperaturen untersucht. Es konnte im Zuge dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass die Photonen von nano-strukturiertem Zinkoxid sehr schmalbandige Emission aufweisen. Im letzten Teil, wird eine Einzelphotonenquelle bestehend aus einem organischen Molekül untersucht. Bei kryogenen Temperaturen wurden Lebenszeit-limitierte Linienbreiten auf den Molekülproben detektiert. Die Rabi-Oszillationen zwischen den Molekülzuständen konnten akkurat durch eine quantenmechanische Theorie beschrieben werden, wodurch die Vermessung der Dephasierung des Quantensystems durch die nanoskopische Umgebung präzise studiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zur Kopplung von Einzelphotonenquellen stellen die Grundlage für weitere Anwendungen durch eine photonische Quantentechnologie dar. / Quantum technologies are on the verge to transition from laboratory experiments to efficient integrated applications. The quantum states of photons are the connecting link between individual stationary quantum systems. A hybrid approach is employed to tailor the interaction of routed photons with optically coupled quantum systems. The thesis investigates two core aspects of a hybrid photonic quantum technology: efficient single photon generation and optimized photonic micro-structures, suitable to form a hybrid system. In the first part of this work, nano-photonic integrated structures were optimized for efficient coupling to quantum emitters. Optical waveguides based on silicon nitride (SiN) were designed, fabricated, and optically characterized. The final design was successfully employed in coupling experiments, where up to 42% of the fluorescence from a single molecule was coupled to a waveguide. In the second part of this thesis two single photon sources are investigated towards their implementation into a hybrid photonic system. First, a novel single photon source based on a defect center in zinc oxide was optically investigated at room-temperature and cryogenic temperature. Spectrally narrow zero-phonon lines of the fluorescence from nano-structured zinc oxide were measured for the first time during this work. A second emitter system, based on an organic dye molecule was investigated in the final part of this research. At cryogenic temperatures, single molecules showed lifetime-limited linewidths of <50MHz. A resonant laser source drives Rabi oscillations, which are accurately described by the quantum mechanical theory of a two-level system. The system's decoherence was mapped, illustrating the quantum sensing capabilities of the system. The results presented in this thesis on coupling efficiencies and single emitter performance provide the necessary background of the elements composing a future hybrid technology.

Die Nutzung von Quanteneigenschaften für die Informationsverarbeitung, die sogenannte Quanteninformationsverarbeitung (QIP), ist ein seit zwei Jahrzehnten zunehmend populäres Forschungsfeld. Es hat sich gezeigt, dass Einzelphotonen die am besten geeigneten Träger für den Transport von Quanteninformation über weite Strecken sind. Obwohl viele Methoden zur Erzeugung von Einzelphotonen existieren, wurde bisher nur wenig Forschungsarbeit an schmalbandigen Einzelphotonen, d.h. mit spektralen Breiten im MHz-Bereich geleistet. Allerdings sind solche Einzelphotonen besonders wichtig, wenn Kopplungen zwischen Einzelphotonen und atomaren Systemen, die oft als Verarbeitungseinheiten in der QIP genutzt werden, realisiert werden sollen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit mehreren Forschungsaspekten zu schmalbandigen Einzelphotonen, die von Bedeutung sind, wenn solche Photonen als Informationsträger genutzt werden sollen. Zunächst wird eine Quelle von schmalbandigen Einzelphotonen vorgestellt, die auf dem Konzept der parametrischen Fluoreszenz innerhalb eines optischen Resonators basiert und die einen konstanten Strom von Photonenpaaren emittiert. Eine statistische Beschreibung dieser Photonenpaare wird vorgestellt und erstmals direkt gemessen. Um Emission in nur eine einzelne Mode zu erreichen, wurde der Photonenstrom mit Hilfe eines speziell entwickelten Mehrpass-Fabry-Perot-Etalons mit geringem Durchlassbereich und sehr hohem Kontrast gefiltert. Photon-Atom-Wechselwirkungen werden im zweiten Teil der Arbeit gezeigt. Der Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) wird vorgestellt und experimentell demonstriert. Die ersten EIT Experimente in Cäsiumgaszellen bei Raumtemperatur mit Probepulsen, die nur ein einzelnes Photon enthalten, werden demonstriert. Schließlich zeigt ein umfassender Ausblick wie die entwickelten experimentellen Bausteine erweitert werden können, um Einzelphotonenspeicherung zu erlauben und die Technologie für Quantenrepeater zu demonstrieren. / The use of quantum mechanical properties for information processing, so-called quantum information processing (QIP) has become an increasingly popular research field in the last two decades. It turned out that single photons are the most reliable long distance carriers of quantum information, e.g., tools to connect different processing nodes in QIP. While several methods exist to produce single photons, only little research has been performed so far on narrow-band single photons with spectral bandwidths in the MHz regime. Such photons are, however, of particular importance when coupling of single photons to atomic systems, which are often used in QIP as processing nodes, shall be realized. This thesis covers several research aspects on narrow-band single photons, all of which are important if such photons should be used as quantum information carriers. At first, a source for narrow-band single photons is introduced. This source is based on the concept of parametric down-conversion inside an optical resonator. It emits a constant stream of photon pairs. One of the two photons from the pair can be detected heralding the presence of the other photon. A statistical description of these photon pairs is introduced and for the first time also directly measured. In order to reach single-mode single-photon emission, the stream of photons was filtered with a specifically developed multi-pass Fabry-Perot etalon. This filter has a passband FWHM of only 165 MHz and particularly high contrast.

In dieser Arbeit werden einzelne atomare Defekte in hexagonalem Bornitrid (hBN) charakterisiert und mögliche Anwendungen aufgezeigt, welche die gefundenen herausragenden optischen Eigenschaften ausnutzen. Solche optisch aktiven Punktdefekte in Halbleitern bergen das Versprechen von skalierbaren und stabilen Einzelphotonenquellen, welche für eine Vielzahl von zukünftigen Anwendungen im Bereich der Quanteninformationstechnologie oder für Präzisionsmessungen benötigt werden. Dementsprechend groß ist das Interesse der Wissenschaftsgemeinde, was sich auch in der Anzahl der untersuchten Defektsysteme widerspiegelt. Das Besondere an dem hier vorliegenden System ist zum einen die Zweidimensonalität des Halbleiter-Wirtskristalls und zum anderen die enorme Helligkeit des Emitters, welche sich in bis zu sechs Millionen mit einem Mikroskop detektierten Photonen pro Sekunde niederschlägt. Darüber hinaus motivieren die Stabilität des Emitters bei Raumtemperatur und die schmale spektrale Linienbreite eine tiefgreifende Analyse dieses Neuzugangs zum Emitterzoo. / In this thesis, single atomic defects in hexagonal boron nitride (hBN) are characterized and possible applications are shown, which take advantage of the outstanding optical properties found. Such optically active point defects in semiconductors hold the promise of scalable and stable single-photon sources, which are needed for a variety of future applications in quantum information technology or for precision measurements. The interest of the scientific community is correspondingly high, which is also reflected in the number of defect systems investigated. The special feature of the system presented here is on the one hand the two-dimensionality of the semiconductor host crystal and on the other hand the enormous brightness of the emitter, which is reflected in up to six million photons per second detected with a microscope. In addition, the stability of the emitter at room temperature and the narrow spectral width motivate a profound analysis of this new addition to the emitter zoo.