Die intensive Forschung auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung spiegelt ihre Bedeutung für zukünftige Anwendungen in den Informationswissenschaften sowie für em besseres Verständnis fundamentaler Fragestellungen der Quantenmechanik wider. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Photon als wichtiger Ressource für Aufgaben in der Quanteninformation und mit der Kodierung von Quantenbits auf seine vielfältigen Freiheitsgrade. Seine schwache Wechselwirkung mit der Umgebung macht das Photon zum optimalen Träger, um Information sicher mit Hilfe quantenkryptographischer Protokolle zu übertragen. Zudem erlaubt es die Implementierung von Quantenalgorithmen allein unter Verwendung linearer optischer Komponenten. Skalierbarkeit ist mit einem rein photonischen Ansatz jedoch nicht einfach zu erreichen, da die Erzeugung ununterscheidbarer Einzelphotonen von mehreren Emittern weiter eine schwierige Aufgabe darstellt. Für komplexere Quantennetzwerke wurde daher vorgeschlagen, einzelne Photonen lediglich als Informationsträger zwischen atomaren Ensemblen zu verwenden, die ihrerseits als Speicher- und Prozessierungsknoten agieren. Algorithmen, die nur eine geringe Anzahl von Quantenbits erfordern, können dabei den noch mithilfe des Schemas der linearen Optik gelost werden. In dieser Arbeit wird daher zunächst die Erzeugung und Charakterisierung von Einzelphotonenzuständen diskutiert. Em optisch gepumpter einzelner Quantenpunkt wird als Einzelphotonenquelle verwendet, um zum ersten Mal die Anwendbarkeit dieser Photonen für die Implementierung eines Quantenalgorithmus mit linearer Optik und Einzelphotoneninterferenz zu zeigen. Fehlerkorrektur macht den interferometrischen Aufbau dabei robust gegen Phasenrauschen. Auf diese erfolgreiche Demonstration eines Modellexperimentes folgt eine Arbeit zur Entwicklung einer Einzelphotonenquelle für praktische Anwendungen. Besonders die Quantenkryptographie, heutzutage die am weitesten fortgeschrittene Quanteninformationstechnologie, benötigt kompakte und preiswerte nichtklassische Lichtquellen. Dazu wird eine auf elektrisch gepumpten Quantenpunkten basierende Einzelphotonenquelle vorgestellt, die unerreichte spektrale Reinheit und nichtklassische Photonenstatistik aufweist. Die Realisierung von Quantennetzwerken wird in den folgenden Kapiteln verfolgt, die sich mit der Erzeugung schmalbandiger Einzelphotonen befassen, um effizient an atomare Resonanzen zu koppeln. Photonen mit der spektralen Breite atomarer Übergänge werden dabei durch parametrische Frequenzmischung mit Resonatorüberhöhung erzeugt, und ihre Quantenstatistik wird detailliert untersucht. Em Aufbau zur time-bin Kodierung wird vorgestellt, mit dessen Hilfe diesen schmalbandigen Einzelphotonen Quanteninformation aufgeprägt werden kann. Das abschließende Kapitel untersucht als Vorstudie zur Atom-Photon-Wechselwirkung im Einzelphotonenregime die Abbremsung von kohärentem Licht in atomaren Ensemblen.
The outstanding research efforts in quantum information processing over the past two decades reflect the promise this field of physics provides for practical applications in information science as well as for new approaches towards a better understanding of fundamental questions in quantum mechanics. This thesis focuses on the photon as a principal resource to perform quantum information tasks and on schemes to imprint quantum bits onto its various degrees of freedom. Its weak coupling to the environment makes the photon an ideal carrier to securely transmit information by quantum cryptographic protocols. Moreover, efficient implementations of quantum computing using solely linear optics have been proven. Unfortunately, scalability is not easily achieved by a purely photonic approach since the generation of indistinguishable single photons from multiple emitters remains a difficult task. Thus, proposals for more complex quantum networks suggest an architecture with single photons as information carriers between atomic ensembles that act as storage and processing nodes. Computations including a limited number of qubits, however, may be performed by the linear optics scheme. The thesis starts with the generation and characterization of single-photon states, using a source based on a single optically pumped quantum dot. The capability of these states to implement a quantum algorithm using linear optics and single-photon interference is experimentally demonstrated for the first time. Error correction makes the interferometric setup robust against phase-noise. After successful realization of this proof-of-principle experiment, attention is drawn to the need of plug-and-play single-photon sources. Especially quantum key distribution, the most advanced quantum information technology to date which has even found its way into commercial devices, requires compact and low-cost non-classical light sources. Therefore, a single-photon source based on electrically pumped quantum dots is presented that exhibits unmatched spectral purity and single-photon statistics. Results towards the realization of quantum networks are presented in the following chapters, covering the generation of narrow-band single photons which can efficiently couple to atomic resonances. Photons with a spectral width of less than 3 MHz are created by ultra-bright cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion, and their quantum statistics is studied in detail. A setup for time-bin encoding is demonstrated, capable of imprinting quantum information onto these narrow-band single photons. This thesis concludes with slow-light experiments in atomic ensembles as a model system for atom-photon interaction on the single-photon level. The described experiments demonstrate striking features that make the single photon one of the most remarkable physical systems for the field of quantum information.