Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung einer nichtklassischen Photonenpaarquelle basierend auf spontaner Vierwellenmischung in einem Ensemble kalter Atome im Inneren einer photonischen Kristall-Faser mit Hohlkern. Durch die Einzelmodenführung innerhalb der Faser wird eine optimale räumliche Modenanpassung aller beteiligter Lichtfelder, sowie optimaler Überlapp mit den kalten Atomen erreicht. Hierdurch kann eine stärkere Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen als in Freistrahlexperimenten erreicht werden.

In dieser Arbeit wird zunächst der bestehende Aufbau zur Bereitstellung der kalten Atome innerhalb der Hohlkernfaser eingeführt und das Medium durch Messungen der Atomanzahl, optischer Dichte und Kohärenzzeit charakterisiert. Zudem wird das Vorliegen elektromagnetisch-induzierter Transparenz experimentell überprüft. Anschließend wird der Aufbau um Möglichkeiten zur Detektion und Analyse nichtklassischer Photonenpaare erweitert. Dadurch, dass alle beteiligten Felder in der gleichen räumlichen Mode propagieren, ist eine räumliche Separation der erzeugten Photonen von den starken Pumpfeldern nicht möglich. Stattdessen wird ein mehrstufiges Filtersystem basierend auf Polarisation, durchstimmbaren Resonatoren und schmalbandigen Bandpassfiltern verwendet. Zur Detektion der Photonen werden Hanbury Brown und Twiss Aufbauten in beiden Photonenkanälen implementiert. Im Rahmen der Datenanalyse muss der gepulste Betrieb des Experiments bei der Bestimmung der zeitabhängigen Normalisierungsfaktoren der Korrelationsfunktionen berücksichtigt werden.

Im Hauptteil der Arbeit werden die erzeugten Photonenpaare umfassend untersucht. Zum Nachweis nichtklassischer Eigenschaften wird die Kreuzkorrelation bestimmt. Diese wird anschließend mit den gemessenen Werten der Autokorrelation verglichen. Die beobachtete Verletzung der Cauchy-Schwarzschen Ungleichung um einen Faktor 97(24) entspricht einer Überschreitung der klassischen Schranke um etwa vier Standardabweichungen. Durch die Nutzung kalter Atome können intrinsisch schmalbandige Photonenpaare erzeugt werden. Durch die gemessene Linienbreite von 2π ⨉ 6.5 MHz sind die erzeugten Photonen direkt kompatibel mit Quantenspeichern basierend auf atomaren Ensemblen. Die beobachteten Linienbreiten sind vergleichbar mit Freistrahlexperimenten. Photonenpaarquellen können auch als Einzelphotonenquellen mit Ankündigungsmechanismus (engl. heralding) interpretiert werden. Messungen der bedingten Autokorrelation von 0.16 ≪ 0.5 erbringen hier den Nachweis einer unterdrückten Mehrphotonenkomponente (engl. anti-bunching). Die hohe Ankündigungseffizienz von 50 % wird durch die optimale Modenanpassung der erzeugten Felder an die geführte Mode im Kern der Hohlfaser begünstigt. Beim Vergleich der bedingten Autokorrelation mit der Kreuzkorrelation wurde eine gute Übereinstimmung mit dem theoretisch erwarteten Zusammenhang für einen zweimodigen gequetschten Vakuumzustand (engl. two-mode squeezed vacuum) beobachtet.

Durch eine Optimierung der experimentellen Parameter konnte eine Photonenerzeugungsrate pro Frequenz und Pumpleistung von bis zu 2 ⨉ 10⁹ pairs / (s MHz mW) bei Pumpleistungen unterhalb von 100 nW und einer Kreuzkorrelation ≥ 3 erreicht werden. Diese Ergebnisse entsprechen eine Verbesserung um eine Größenordnung gegenüber dem bislang höchsten publizierten Wert, welcher in einem Experiment basierend auf einem Mikroringresonator beobachtet wurde. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit erzeugten Photonenpaare haben eine 10-fach geringere spektrale Bandbreite und es wurde eine 100-fach geringere Pumpleistung benötigt. Bei einer weiteren Erhöhung der Photonenerzeugungsrate beginnen die einzelnen Photonenpaare zeitlich zu überlappen. Unter diesen Bedingungen konvergiert die Kreuzkorrelation gegen den erwarteten Wert für thermische Photonenstatistik.

Zusätzlich wurde in einem separaten Experiment superfluoreszente Streuung in kalten Atomen im inneren der Hohlkernfaser untersucht. Durch die starke Kopplung von Licht und Materie können in diesem Medium kooperative Effekte bereits mit einer vergleichsweise kleinen Anzahl an Atomen realisiert werden. Mithilfe eines vorgestellten Modells, kann die relative Anzahl der am kollektiven Prozess beteiligten Atome bestimmt werden. Bei Verwendung dieser skaliert sowohl das Verhältnis aus superfluoreszenter und Ein-Atom-Streurate als auch die Intensität des superfluoreszenten Signals entsprechend der etablierten Theorie.