Diese Arbeit präsentiert das erste vollautomatische, kompakte und zuverlässige Quantenkryptographie (Quantum Key Distribution - QKD) System auf Basis von verschränkten Photonen. Das System ist für die Integration in Standard 19-Zoll-Schränke konzipiert und arbeitet mit einer Wellenlänge von 1550nm für den optimalen Einsatz in Standard-Glasfasern. Mehrere neu entwickelte Stabilisierungs- und Automatisierungsmodule (u.a. Stabilisierung der Verschränkungsquelle, Stabilisierung der Polarisation in der Glasfaser und präzise Detektor-Synchronisation) sorgen für eine zuverlässige Verteilung von verschränkten Photonen. Das QKD System wurde in das europäische SECOQC (Development of a Global Network for Secure Communication based on Quantum Cryptography) Quantenkryptographie-Netzwerk integriert und im Oktober 2008 im Glasfaser-Netz von Siemens in Wien präsentiert. Während der zweiwöchigen Demonstration mit einer zwischen zwei Siemens-Standorten verlegten Glasfaser (16km, 4dB) konnte eine durchschnittliche Verschränkungs-Visibility von 93% erreicht werden. Über den gesamten Zeitraum hatten 99,9% aller Messwerte eine Visibility über 90%. Die hohe Qualität der Verschränkung ermöglicht die Implementierung des BBM92 Quantum Key Distribution Protokolls. Gemeinsam mit der SECOQC Infrastruktur ermöglicht dies die Integration eines praxistauglichen Quantenkryptographie-Systems. Während der zweiwöchigen Testphase konnte eine stabile Schlüsselerzeugungsrate von über 2000 bit/Sekunde mit einer QBER (Quantum Bit Error Rate) von 3.5% erreicht werden ohne manuell in das System eingreifen zu müssen. Im Labor konnte eine Übertragung bis zu 50km bei einer Schlüsselerzeugungsrate von 500 bit/Sekunde erzielt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, verschränkte Photonen in einem typischen innerstädtischen Glasfasernetzwerk mit hoher Qualität zuverlässig zu verteilen und für die Quantenkryptographie zu nutzen.
Die Quantenkryptographie erfährt in jüngster Zeit einen Zuwachs an öffentlichem Interesse aufgrund des ersten interkontinentalen Austauschs von quantenverschlüsselten Nachrichten. Von dieser Faszination und dem technologischen Fortschritt, welchen derartige Satellitenexperimente mit sich bringen, profitieren viele angrenzende Fachgebiete. Beispielhaft dafür ist die hier vorgestellte Photonenquelle, die im Hinblick auf die hohen Anforderungen von Satellitenmissionen entwickelt wurde. Mit diesem Werkzeug in Händen führen wir drei voneinander unabhängige Experimente durch. Zuerst stellen wir die Stabilität der Quelle unter enormer Belastung in einer Zentrifuge und einem Fallturm unter Beweis. Wir demonstrieren dabei eindrücklich, dass verschränkte Photonen auch abseits von luftgefederten Labortischen zum Einsatz gebracht werden können, und suchen systematisch nach Abweichungen von der Standardtheorie der Quantenmechanik in unterschiedlich stark beschleunigten Bezugssystemen. Für ein zweites Experiment konstruieren wir ein auf Zwei-Photonen Interferenz basierendes Gyroskop, mit dem wir die Absolutrotation bezüglich des Inertialraumes mit einer Präzision vermessen, welche mit klassischem Licht mit vergleichbarer Intensität wegen des fundamentalen Schrotrauschens der einzelnen Photonen nicht erreicht werden kann. Abschließend schicken wir die von der Quelle erzeugten Photonenpaare über eine Distanz von \unit[1.2]{km} durch den städtischen Nachthimmel von Wien. Mit einem eigens dafür konstruierten Empfänger untersuchen wir die Sichtbarkeit von Interferenz zweiter Ordnung welche von fundamentaler Bedeutung für die technische Realisierung von Zweigstellen in zukünftigen Quantennetzwerken ist.
Die folgende Doktorarbeit beschreibt zwei Freiraumexperimente über große Distanzen basierend auf Multiphotonenverschränkung im Polarisationsfreiheitsgrad. Die angeführten Messungen wurden unter Verwendung eines 143 km langen horizontalen Quantenkanals durch die Erdatmosphäre zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa durchgeführt. Basierend auf dem Superpositionsprinzip stellt die Quantenverschränkung den Schlüsselbaustein für das Gebiet der Quanteninformation dar. Ihre nichtklassischen Korrelationen sind die Grundvoraussetzung für spannende neue Protokolle wie etwa Quantenkryptographie, Quantenberechnungen oder Quantenteleportation. Unser erstes Experiment befasste sich mit der Teleportation von Verschränkung, auch Verschränkungsaustausch genannt. Dabei wird die Verschränkung von zwei Photonenpaaren 0-1 und 2-3 auf eine Verschränkung zwischen den Photonen 1-2 und 0-3 übertragen. Diese Eigenschaft stellt die fundamentale Ressource von sogenannten Quanten Repeater dar. Solche Geräte könnten in Zukunft verwendet werden um große Distanzen in kleinere Abschnitte zu unterteilen und schließlich die Verschränkung durch Verschränkungsaustausch über die gesamte Strecke auszudehnen. Im zweiten Experiment haben wir die Verschränkung von vier Photonen in Form eines GHZ-Zustandes gezeigt, benannt nach den Wissenschaftlern Daniel Greenberger, Michael Horne und Anton Zeilinger. Zwei Quellen für Polarisationsverschränkung in der Basisstation auf La Palma haben anhand von parametrischer Fluoreszenz des Lichts eines Femtosekundenlasers Photonenpaare mit 808 nm Wellenlänge erzeugt. In beiden Experimenten wurde pro Laserpuls jeweils eines von insgesamt vier Photonen über 143 km Luftlinie zur Empfängerstation nach Teneriffa gesendet. Die restlichen drei Photonen wurden lokal auf La Palma registriert. Für die Kompensation von langsamen atmosphärischen Turbulenzen im bodennahen Quantenkanal wurden die Teleskope anhand eines bidirektionalen geschlossenen Regelkreises kontinuierlich nachgeführt. Trotz einer mittleren Abschwächung von ca. 30 dB über den 143 km Quantenkanal haben wir mit einer statistischen Sicherheit von über 6 Standardabweichungen den Austausch der Verschränkung nachgewiesen. Weiters haben wir vier Photonen erfolgreich zu einem GHZ-Zustand verschränkt, wobei einer der vier Empfänger 143 km entfernt war. Der Austausch von Verschränkung sowie die Verschränkung mehrerer Photonen, wie etwa in einem GHZ-Zustand der Fall, bilden die Grundlage für die Verteilung von Verschränkung über große Distanzen sowie für die Verschränkung mehrerer Datenknoten miteinander. Unsere Ergebnisse beweisen die Realisierbarkeit dieser Protokolle im Lichte zukünftiger Anwendungen im Bereich der satellitenbasierten Quantenkommunikation und rücken die Vision eines weltumspannenden Quantennetzwerks näher.