원자 간섭계(Cold Atom Interferometer) 루비듐 중력 구배계 & 1,000Hz 0-Alloc C# 지하 시설 스텔스 탐지 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.QuantumMetrology.AtomInterferometer
{
    /// 

    /// 원자 간섭계 계측 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct AtomInterfTelemetry
    {
        public readonly float UpperTransitionProb; // [0.0~1.0] 상부 간섭계 이온화 전이 확률
        public readonly float LowerTransitionProb; // [0.0~1.0] 하부 간섭계 이온화 전이 확률
        public readonly float CurrentChirpRateMhzS;// [MHz/s] 현재 라만 주파수 처프율
        public readonly float BaselineDistanceM;   // [m] 상/하부 원자 트랩 수직 간격 (예: 1.0 m)
        public readonly float PulseSeparationTimeMs;// [ms] 자유 비행 펄스 간격 T (예: 80 ms)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AtomInterfTelemetry(
            float upperTransitionProb,
            float lowerTransitionProb,
            float currentChirpRateMhzS,
            float baselineDistanceM,
            float pulseSeparationTimeMs)
        {
            UpperTransitionProb = upperTransitionProb;
            LowerTransitionProb = lowerTransitionProb;
            CurrentChirpRateMhzS = currentChirpRateMhzS;
            BaselineDistanceM = baselineDistanceM;
            PulseSeparationTimeMs = pulseSeparationTimeMs;
        }
    }

    /// 

    /// 중력 구배 및 지하 터널 탐색 연산 결과
    /// 
    public readonly ref struct AtomInterfControlResult
    {
        public readonly float CommandedChirpCorrectionMhzS; // [MHz/s] 라만 처프율 보정값
        public readonly float GravityGradientEotvos;        // [E] 수직 중력 구배 T_zz
        public readonly float EstimatedGravityAccMps2;      // [m/s^2] 절대 중력 가속도 g
        public readonly float AnomalyDepthEstimateM;        // [m] 지하 질량 이상 추정 깊이
        public readonly bool IsUndergroundVoidDetected;     // 지하 공동/터널 감지 플래그
        public readonly bool IsQuantumFringeLocked;         // 프린지 중심선 잠금 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AtomInterfControlResult(
            float commandedChirpCorrectionMhzS,
            float gravityGradientEotvos,
            float estimatedGravityAccMps2,
            float anomalyDepthEstimateM,
            bool isUndergroundVoidDetected,
            bool isQuantumFringeLocked)
        {
            CommandedChirpCorrectionMhzS = commandedChirpCorrectionMhzS;
            GravityGradientEotvos = gravityGradientEotvos;
            EstimatedGravityAccMps2 = estimatedGravityAccMps2;
            AnomalyDepthEstimateM = anomalyDepthEstimateM;
            IsUndergroundVoidDetected = isUndergroundVoidDetected;
            IsQuantumFringeLocked = isQuantumFringeLocked;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 원자 간섭계 중력 구배계 서보 엔진
    /// 
    public ref struct AtomInterferometryGradiometerEngine
    {
        private const float EffectiveKeff = 1.61058e7f; // [rad/m] Rb-87 유효 라만 파수 (780nm 역전파)
        private const float NormalTzzEotvos = 3086.0f;  // [E] 지구 정상 수직 중력 구배 (약 3086 E)

        /// 

        /// 1ms 주기 전이 확률 아크사인 복조, 차분 구배 계산 및 처프 서보 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AtomInterfControlResult Update(in AtomInterfTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 전이 확률 P = 0.5 * (1 - C * cos(Phi)) 로부터 위상각 역산
            // 선형 영역(중심 프린지 부근): cos(Phi) ~= -2*(P - 0.5)
            float tSec = telemetry.PulseSeparationTimeMs * 1e-3f;
            float tSq = tSec * tSec;

            float pUpperClamped = Math.Clamp(telemetry.UpperTransitionProb, 0.05f, 0.95f);
            float pLowerClamped = Math.Clamp(telemetry.LowerTransitionProb, 0.05f, 0.95f);

            float phiUpper = MathF.Asin(Math.Clamp((pUpperClamped - 0.5f) * 2.0f, -0.99f, 0.99f));
            float phiLower = MathF.Asin(Math.Clamp((pLowerClamped - 0.5f) * 2.0f, -0.99f, 0.99f));

            // 2. 절대 중력 가속도 g 추정 (g = (2*pi*alpha + phi/T^2) / k_eff)
            float totalChirpRad = telemetry.CurrentChirpRateMhzS * 1e6f * 2.0f * MathF.PI;
            float gEstimated = (totalChirpRad + (phiLower / tSq)) / EffectiveKeff;

            // 3. 차분 위상차 delta_Phi_grad 및 수직 중력 구배 T_zz 연산
            float deltaPhiGrad = phiUpper - phiLower;
            float baseline = MathF.Max(0.1f, telemetry.BaselineDistanceM);

            // T_zz = delta_Phi / (k_eff * L * T^2)  (단위: s^-2, 1 E = 10^-9 s^-2)
            float tzzSi = deltaPhiGrad / (EffectiveKeff * baseline * tSq);
            float tzzEotvos = NormalTzzEotvos + (tzzSi * 1e9f);

            // 4. 지하 공동(Void/터널) 감지 판정
            // 지하 빈 공간이 있으면 질량 결손으로 인해 T_zz가 국소적으로 정상치 대비 음의 편차(-10E 이상) 발생
            float tzzAnomaly = tzzEotvos - NormalTzzEotvos;
            bool voidDetected = tzzAnomaly < -12.0f;

            // 이상체 깊이 추정 (반치폭 역산 근사: z_depth ~= 0.7 * L)
            float anomalyDepth = voidDetected ? MathF.Abs(tzzAnomaly) * 0.8f : 0.0f;
            anomalyDepth = Math.Clamp(anomalyDepth, 5.0f, 150.0f);

            // 5. 라만 레이저 주파수 처프 보정 (잔류 위상 오차 영점화)
            float chirpCorrection = (phiLower / tSq) / (EffectiveKeff * 2.0f * MathF.PI) * 1e-6f;
            chirpCorrection = Math.Clamp(chirpCorrection, -0.05f, 0.05f);

            bool fringeLocked = MathF.Abs(phiLower) < 0.2f;

            return new AtomInterfControlResult(
                commandedChirpCorrectionMhzS: chirpCorrection,
                gravityGradientEotvos: tzzEotvos,
                estimatedGravityAccMps2: gEstimated,
                anomalyDepthEstimateM: anomalyDepth,
                isUndergroundVoidDetected: voidDetected,
                isQuantumFringeLocked: fringeLocked
            );
        }
    }
}