이온 트랩(Paul Trap) 양자 컴퓨터 레이저 사이드밴드 냉각 & 1,000Hz 0-Alloc C# 포논 영점 진동 모드 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.QuantumComputing.IonTrap
{
    /// 

    /// 포획 이온 광학 계측 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct IonTrapTelemetry
    {
        public readonly float RedSidebandCounts;   // [counts] 적색 사이드밴드 광자 검출수
        public readonly float BlueSidebandCounts;  // [counts] 청색 사이드밴드 광자 검출수
        public readonly float MeasuredSecularFreqMhz; // [MHz] 측정된 축방향 세속 진동수
        public readonly float TrapRfVoltageVolts;  // [V] 현재 트랩 RF 전압 진폭
        public readonly float TrapChamberPressureTorr; // [Torr] 초고진공 챔버 압력

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IonTrapTelemetry(
            float redSidebandCounts,
            float blueSidebandCounts,
            float measuredSecularFreqMhz,
            float trapRfVoltageVolts,
            float trapChamberPressureTorr)
        {
            RedSidebandCounts = redSidebandCounts;
            BlueSidebandCounts = blueSidebandCounts;
            MeasuredSecularFreqMhz = measuredSecularFreqMhz;
            TrapRfVoltageVolts = trapRfVoltageVolts;
            TrapChamberPressureTorr = trapChamberPressureTorr;
        }
    }

    /// 

    /// 사이드밴드 냉각 및 양자 게이트 제어 연산 결과 구조체
    /// 
    public readonly ref struct IonTrapControlResult
    {
        public readonly float CommandedAomDetuningMhz; // [MHz] AOM 냉각 빔 디튜닝 보정
        public readonly float CommandedRfVoltDelta;    // [V] RF 트랩 전압 보정량
        public readonly float AveragePhononNumber;     // [무차원] 바닥상태 포논 점유수 n_bar
        public readonly float EstimatedGateFidelity;   // [0.0~1.0] MS 2-큐비트 게이트 충실도
        public readonly bool IsGroundStateCoolingDone; // n_bar < 0.05 바닥상태 도달 플래그
        public readonly bool IsIonLossDetected;        // 이온 충돌 소실 위험 감지

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IonTrapControlResult(
            float commandedAomDetuningMhz,
            float commandedRfVoltDelta,
            float averagePhononNumber,
            float estimatedGateFidelity,
            bool isGroundStateCoolingDone,
            bool isIonLossDetected)
        {
            CommandedAomDetuningMhz = commandedAomDetuningMhz;
            CommandedRfVoltDelta = commandedRfVoltDelta;
            AveragePhononNumber = averagePhononNumber;
            EstimatedGateFidelity = estimatedGateFidelity;
            IsGroundStateCoolingDone = isGroundStateCoolingDone;
            IsIonLossDetected = isIonLossDetected;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 이온 트랩 레이저 사이드밴드 냉각 서보 제어 엔진
    /// 
    public ref struct IonTrapSidebandCoolingEngine
    {
        private const float TargetSecularFreqMhz = 3.150f; // [MHz] 기준 세속 진동수
        private const float MaxAllowedPhonons = 0.05f;     // [무차원] 바닥상태 기준치
        private const float VacuumPressureLimit = 1.0e-10f; // [Torr] 초고진공 한계치

        /// 

        /// 1ms 주기 포논수 역산, 진동수 안정화 및 AOM 제어 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IonTrapControlResult Update(in IonTrapTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 사이드밴드 형광 비대칭비로부터 평균 포논수 n_bar 역산
            // R = I_red / I_blue = n_bar / (n_bar + 1)  ==>  n_bar = R / (1 - R)
            float blueCounts = MathF.Max(1.0f, telemetry.BlueSidebandCounts);
            float ratio = telemetry.RedSidebandCounts / blueCounts;
            ratio = Math.Clamp(ratio, 0.001f, 0.95f);

            float nBar = ratio / (1.0f - ratio);

            // 2. 세속 진동수 드리프트 계산 및 RF 트랩 전압 보정
            // omega_m propto V_rf  ==>  delta_V = V_rf * (delta_omega / omega)
            float freqError = TargetSecularFreqMhz - telemetry.MeasuredSecularFreqMhz;
            float deltaRfVolt = telemetry.TrapRfVoltageVolts * (freqError / TargetSecularFreqMhz) * 0.5f;
            deltaRfVolt = Math.Clamp(deltaRfVolt, -2.0f, 2.0f);

            // 3. AOM 레이저 디튜닝 보정: 적색 사이드밴드 공진 조건 사수 (delta_omega = omega_m)
            float aomCorrectionMhz = freqError * 1.0f;

            // 4. 2-큐비트 뫼르너-소렌센(MS) 게이트 충실도 추정
            // Fidelity ~= 1 - (pi^2 / 4) * eta^2 * (2 * n_bar + 1) * phase_noise
            float fidelity = 0.9995f - (0.015f * nBar);
            fidelity = Math.Clamp(fidelity, 0.90f, 0.9999f);

            bool isCooled = nBar <= MaxAllowedPhonons;
            bool ionLoss = (telemetry.BlueSidebandCounts < 5.0f) || (telemetry.TrapChamberPressureTorr > VacuumPressureLimit);

            return new IonTrapControlResult(
                commandedAomDetuningMhz: aomCorrectionMhz,
                commandedRfVoltDelta: deltaRfVolt,
                averagePhononNumber: nBar,
                estimatedGateFidelity: fidelity,
                isGroundStateCoolingDone: isCooled,
                isIonLossDetected: ionLoss
            );
        }
    }
}