극저온 직류 스퀴드(DC SQUID) 조셉슨 접합 & 1,000Hz 0-Alloc C# 양자 자속 록트 루프(FLL) 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.SuperconductingSquid
{
    /// <summary>
    /// DC SQUID 자속 록트 루프(FLL) 서보 제어 상태 구조체
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct SquidFllState
    {
        public float ExternalMagneticFieldTesla; // 계측된 외부 미세 자기장 [Tesla]
        public float FluxQuantaRatio;            // 자속 양자 환산비 (Phi / Phi_0)
        public float SQUIDVoltageMicroV;         // SQUID 출력 전압 [uV]
        public float FeedbackCurrentMa;          // FLL 널링 코일 피드백 전류 [mA]
        public float FluxToVoltageSlopeVPhi;     // 자속-전압 변환율 [uV/Phi_0]
        public bool IsFllLocked;                 // 자속 록트 루프 잠금 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 DC SQUID 양자 자속 잠금 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class SquidFllServoEngine
    {
        // 양자 물리 상수
        public const float FluxQuantumPhi0 = 2.0678338e-15f; // 자속 양자 [Wb]
        private const float FeedbackMutualInductanceM = 45.0e-12f; // 상호 인덕턴스 45 pH
        private const float EffectiveLoopAreaM2 = 1.0e-6f;   // SQUID 루프 유효 면적 1 mm^2

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: SQUID 전압 에러 복조 기반 피드백 전류 갱신
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref SquidFllState state,
            float measuredSquidVoltageUv,
            float workingPointVoltageUv,
            float dtSeconds)
        {
            state.SQUIDVoltageMicroV = measuredSquidVoltageUv;

            // 1) 자속 동작점 오차 신호 복조: V_err = V_meas - V_set
            float vErrorUv = measuredSquidVoltageUv - workingPointVoltageUv;

            // 2) 가파른 선형 변환율 V_Phi = 85 uV / Phi_0
            state.FluxToVoltageSlopeVPhi = 85.0f;

            // 3) FLL 적분기 피드백: dI_f / dt = - K_i * V_err
            // Phi_net = 0을 유지하도록 반대 자속을 주입하는 전류 제어
            float ki = 1.25f; // [mA / (uV * s)]
            state.FeedbackCurrentMa -= (vErrorUv * ki) * dtSeconds;

            // 4) 보상된 피드백 전류로부터 실제 외부 자속 및 자기장 역산
            // Phi_ext = M_f * I_f
            float feedbackCurrentAmps = state.FeedbackCurrentMa * 1.0e-3f;
            float totalExtFluxWb = feedbackCurrentAmps * FeedbackMutualInductanceM;

            state.FluxQuantaRatio = totalExtFluxWb / FluxQuantumPhi0;
            state.ExternalMagneticFieldTesla = totalExtFluxWb / EffectiveLoopAreaM2;

            // 5) 잠금 안정성 판정: 에러 신호가 미소할 때
            state.IsFllLocked = MathF.Abs(vErrorUv) < 0.5f;
        }
    }
}