Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden neuartige integrierte Einzelphotonenquellen (EPQ) und ihre Anwendung für die Quanteninformationsverarbeitung entwickelt und untersucht. Die Erzeugung von Einzelphotonen basiert auf einzelnen Defektzentren in nanometergroßen Diamantkristallen mit einzigartigen optischen Eigenschaften: Stabilität bei Zimmertemperatur ohne optisches Blinken. Diamantkristalle mit Größen bis unter 20nm wurden mit neuartigen „pick-and-place“ Techniken (z.B. mit einem Atomkraftmikroskop) in komplexe photonische Strukturen integriert. Zwei unterschiedliche Ansätze für die Realisierung der neuartigen EPQ wurden verfolgt. Beim ersten werden fluoreszierende Diamantkristalle in nano- und mikrometergroße Faser-basierte oder resonante Strukturen in einem „bottom-up“ Ansatz integriert, dadurch werden zusätzliche optische Komponenten überflüssig und das Gesamtsystem ultra-stabil und wartungsfrei. Der zweite Ansatz beruht auf einem Festkörperimmersionsmikroskop (FIM). Seine Festkörperimmersionslinse wirkt wie eine dielektrische Antenne für die Emission der Defektzentren. Es ermöglicht die höchsten bisher erreichten Photonenzählraten von Stickstoff-Fehlstellen von bis zu 2.4Mcts/s und Einsammeleffizienzen von bis zu 4.2%. Durch Anwendung des FIM bei cryogenen Temperaturen wurden neuartige Anwendungen und fundamentale Untersuchungen möglich, weil Photonenraten signifikant erhöht wurden. Die Bestimmung der spektralen Diffusionszeit eines einzelnen Defektzentrums (2.2µs) gab neue Erkenntnisse über die Ursachen von spektraler Diffusion. Spektrale Diffusion ist eine limitierende Eigenschaft für die Realisierung von Quanteninformationsanwendungen. Das Tisch-basierte FIM wurde außerdem als kompakte mobile EPQ mit Ausmaßen von nur 7x19x23cm^3 realisiert. Es wurde für ein Quantenkryptographie-Experiment implementiert, zum ersten Mal mit Siliziumdefektzentren. Des Weiteren wurde ein neues Konzept für die Erzeugung von infraroten EPQ entwickelt und realisiert. / The presented thesis covers the development and investigation of novel integrated single photon (SP) sources and their application for quantum information schemes. SP generation was based on single defect centers in diamond nanocrystals. Such defect centers offer unique optical properties as they are room temperature stable, non-blinking, and do not photo-bleach over time. The fluorescent nanocrystals are mechanically stable, their size down to 20nm enabled the development of novel nano-manipulation pick-and-place techniques, e.g., with an atomic force microscope, for integration into photonic structures. Two different approaches were pursued to realize novel SP sources. First, fluorescent diamond nanocrystals were integrated into nano- and micrometer scaled fiber devices and resonators, making them ultra-stable and maintenance free. Secondly, a solid immersion microscope (SIM) was developed. Its solid immersion lens acts as a dielectric antenna for the emission of defect centers, enabling the highest photon rates of up to 2.4Mcts/s and collection efficiencies of up to 4.2% from nitrogen vacancy defect centers achieved to date. Implementation of the SIM at cryogenic temperatures enabled novel applications and fundamental investigations due to increased photon rates. The determination of the spectral diffusion time of a single nitrogen vacancy defect center (2.2µs) gave new insights about the mechanisms causing spectral diffusion. Spectral diffusion is a limiting property for quantum information applications. The table-top SIM was integrated into a compact mobile SP system with dimension of only 7x19x23cm^3 while still maintaining record-high stable SP rates. This makes it interesting for various SP applications. First, a quantum key distribution scheme based on the BB84 protocol was implemented, for the first time also with silicon vacancy defect centers. Secondly, a conceptually novel scheme for the generation of infrared SPs was introduced and realized.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente befassen sich mit zwei Aspekten des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (engl.: nitrogen-vacancy center, NV-Zentrum) in Diamant, einem der bekanntesten Quantenspin-Defekte und vielversprechendem Festkörpersystem für künftige Anwendungen in der Quantentechnologie, wie z. B. Quantensensorik und Quanteninformation im Nanomaßstab. Zum einen werden neue Mikrowellen-Raman-Spin-Manipulationsverfahren an dem NV-Elektronenspin untersucht, und zum anderen wird eine neuartige On-Chip-Plattform für Quantenanwendungen und die hybride Integration dieser Plattform mit einem einzelnen NV-Zentrum vorgestellt. Es wird über die kohärente Mikrowellen-Raman-Kontrolle an den Elektronenspin des NV-Zentrums berichtet, die den Dipol-verbotenen Übergang zwischen zwei Spin-Subniveaus im elektronischen Triplett-Grundzustand des NV-Zentrums direkt treiben kann. Folglich wurden die stimulierten Raman-Übergänge (engl.: stimulated Raman transitions, SRT) und die stimulierte adiabatische Raman-Passage (engl.: stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP) theoretisch und numerisch analysiert und erfolgreich an einem einzelnen NV-Zentrum experimentell verifiziert und umgesetzt. Weiterhin wird die deterministische Integration eines einzelnen NV-Zentrums mit einer photonischen Plattform behandelt. Diese extra für diesen Zweck entwickelte photonische Plattform besteht dabei ausschließlich aus thermisch auf einem Silizium Substrat gewachsenem Siliziumdioxid und zeichnet sich dabei durch ihre ultraniedrige Fluoreszenz aus. Experimentell wurde die Integration eines vorselektierten NV-Emitters mit einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt und die On-Chip-Anregung des Quantenemitters sowie die Kopplung von Einzelphotonen an die geführte Mode der integrierten Struktur nachgewiesen. Dieser Ansatz zeigt das Potenzial dieser Plattform als robuste nanoskalige Schnittstelle von photonischen On-Chip-Strukturen mit einzelnen Festkörper-Qubits. / This thesis revolves around the nitrogen-vacancy (NV) defect center in diamond, one of the best-known quantum spin defects and a promising solid-state system for future applications in quantum technology, such as nanoscale quantum sensing and quantum information. Since the manipulation of the NV center's electron spin is crucial for many applications, the development of new or the adaption of known spin manipulation schemes to the NV center spin is crucial to expand the application prospects of the NV center. Thus, this work reports on the adaption of coherent microwave Raman control to the electron spin of the NV center, which can drive the dipole-forbidden transition between two spin sublevels in the NV center's triplet electronic ground state. Consequently, the stimulated Raman transitions (SRT) and stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) two-photon microwave Raman processes were theoretically and numerically analyzed and successfully implemented and verified experimentally on a single NV center electron spin. The two Raman schemes were then also compared in terms of their robustness and success of the spin swap. Apart from this, scalable on-chip coupling of single photon emitters and quantum memories with single optical modes is crucial for building future fully integrated nanophotonic devices. Thus, a purpose-built photonic platform consisting entirely of silicon dioxide thermally grown on a silicon substrate, which stands out by its ultra-low fluorescence, was developed. Experimentally, the integration of a preselected NV emitter was performed with an atomic force microscope, and on-chip excitation of the quantum emitter as well as coupling of single photons to the guided mode of the integrated structure could be demonstrated. This approach demonstrates the potential of this platform as a robust nanoscale interface of on-chip photonic structures with single solid-state qubits.