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MESSWERK

Diagnoserechner für Messketten · universelle Ausgabe · v1.0

Kettenrechner: K und I_eff

Jede Stufe trägt einen Faktor in [0,1] bei. K ist das effektive Signal-Rausch-Verhältnis; I_eff = log₂(1+K) ist die Kapazität des äquivalenten Gauß-Kanals.

Produkt der Stufenfaktoren—
K = SNR · ∏g · C²—
I_eff = log₂(1+K)—
Relative Standardabweichung (Cramér-Rao, θ)—

Fisher-Information mit signalabhängigem Rauschen

Y ~ N(s(θ), σ²(θ)). F = (∂s)²/σ² + (∂σ²)²/(2σ⁴). Der zweite Term ist der Grund, warum die Produktform bricht, sobald ein Parameter auf Signal und Rauschen wirkt.

σ²—
Signalterm (∂s)²/σ²—
Varianzterm (∂σ²)²/(2σ⁴)—
F gesamt—
K = θ²F—
Cramér-Rao σ_θ—

Separierbarkeitsprüfer

Geprüft wird ∂²log F / ∂ln λ ∂ln σ_r am gewählten Arbeitspunkt. Nahe null heißt: die Produktform ist dort zulässig. Modell: σ² = ENF²·λ + σ_r².

Schrotanteil der Varianz—
Leseanteil der Varianz—
|∂²log F / ∂lnλ ∂lnσ_r|—
Regime—

Für die Laborprüfung: Belichtung und Leserauschen je über mindestens drei Stufen variieren und die gemischten zweiten Differenzen von log F bilden. Erwartung: nahe null in beiden Asymptoten, deutlich von null verschieden im Übergang.

Spalt, Wellenvektorübertrag und erreichbare Genauigkeit

Fraunhofer-Kennzahl a²/(λL)—
Ort von |q|a = 1—
Erstes Minimum—
Sensorbreite—
Fisher-Information F(a)—
Cramér-Rao σ_a—
relative Genauigkeit σ_a/a—

Quantenstufe: Qubit unter Dephasierung

F_Q(φ) = e^(−2Γt) für die Phase, F_Q(ω) = t²e^(−2Γt) für die Frequenz. Eine projektive Messung senkrecht zum Bloch-Vektor erreicht F_Q; parallel dazu bleibt F_C = 0.

Kohärenz r = e^(−Γt)—
F_Q (Phase)—
F_C der gewählten Messachse—
Ausschöpfung F_C/F_Q—
optimale Einzelzeit t* = 1/(2Γ)—
F gesamt bei T (Frequenzschätzung)—

Grundlagen und Geltungsbereich

KernsatzGilt p(Y|θ₁) = p(Y|θ₂) für θ₁ ≠ θ₂, ist eindeutige Rekonstruktion aus diesem Messkanal ausgeschlossen. Das ist die Beobachtungsäquivalenz der Identifizierbarkeitstheorie (Rothenberg 1971), kein eigener Satz dieses Werkzeugs.
SeparierbarkeitDie Produktform K = ∏κᵢ ist auf zusammenhängendem Produktgebiet genau dann exakt, wenn ∂²log F/∂pᵢ∂pⱼ = 0 für alle i ≠ j.
StufenfassungF_n = F₀·∏η_k mit η_k = F_k/F_{k−1} ist trivial. Die Behauptung ist, dass η_k nur von den Parametern der eigenen Stufe abhängt.
Klasse A (exakt)multiplikative Transmission mit einstufigem Rauschen; Poisson-Verdünnung
Klasse B (asymptotisch)EMCCD bei hoher Verstärkung (Faktor 1/2); Ein-Bit-Quantisierung bei kleinem SNR (Faktor 2/π)
Klasse C (verletzt)mehrstufige Rauscheinkopplung, Schrot-Lese-Übergang, Aperturkopplung, Nichtlinearität, Sättigung
GrenzenAlle Rechnungen setzen ein bekanntes Vorwärtsmodell voraus. Außerhalb des Gauß-Ankerfalls ist K eine Näherung. Das Werkzeug ersetzt keine Kalibrierung; das Rauschmodell stammt aus der Photon-Transfer-Kurve des eigenen Sensors.
FundstelleBegleitendes Preprint, Version 0.4 — Abschnitte 5, 14 und 19