조셉슨 진행파 파라메트릭 증폭기(JTWPA) 4광파 혼합 & 1,000Hz 0-Alloc C# 양자 한계 초저잡음 판독 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Quantum.Amplification
{
    /// 

    /// 조셉슨 진행파 증폭기(JTWPA) 파라메트릭 이득 및 양자 잡음 한계 서보 엔진 (0-Alloc C#)
    /// 
    public ref struct JtwpaReadoutServoEngine
    {
        private const double Hbar = 1.054571817e-34; // J*s
        private const double BoltzK = 1.380649e-23;   // J/K

        private readonly double _lineLengthL;        // 전송선로 길이 (~0.03 m)
        private readonly double _targetGainDb;       // 목표 이득 (~20 dB)
        private readonly double _kp;
        private readonly double _dt;

        private double _currentPumpPowerDbm;         // 펌프 파워 (dBm)
        private double _estimatedGainDb;             // 추정 이득 (dB)
        private double _addedNoiseTempKelvin;        // 부가 잡음 온도

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public JtwpaReadoutServoEngine(
            double targetGainDb = 20.0,
            double kp = 0.25,
            double dt = 0.001)
        {
            _lineLengthL = 0.03;
            _targetGainDb = targetGainDb;
            _kp = kp;
            _dt = dt;
            _currentPumpPowerDbm = -55.0; // 극저온 입력 펌프 파워
            _estimatedGainDb = 0.0;
            _addedNoiseTempKelvin = 0.3;
        }

        /// 

        /// 판독 신호 파워와 출력 스펙트럼 분석 신호로부터 이득을 측정하고 펌프 전력을 보정 (1,000Hz)
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void UpdateAmplifierStep(
            double measuredInputPowerDbm,
            double measuredOutputPowerDbm,
            double signalFreqGHz,
            out double commandedPumpDbm,
            out double netGainDb,
            out double quantumNoiseRatio)
        {
            // 순 삽입 이득 S21 (dB)
            _estimatedGainDb = measuredOutputPowerDbm - measuredInputPowerDbm;

            // 목표 이득 20dB 유지 피드백
            double gainError = _targetGainDb - _estimatedGainDb;
            _currentPumpPowerDbm += _kp * gainError * _dt;

            // 펌프 파워 포화 한계 (-65 dBm ~ -45 dBm)
            if (_currentPumpPowerDbm < -65.0) _currentPumpPowerDbm = -65.0;
            else if (_currentPumpPowerDbm > -45.0) _currentPumpPowerDbm = -45.0;

            // 선형 이득 환산 G
            double linearGain = Math.Pow(10.0, _estimatedGainDb / 10.0);
            
            // 양자 한계 잡음 온도: T_sql = hbar * omega / (2 * k_B)
            double omega = signalFreqGHz * 1e9 * 2.0 * Math.PI;
            double tSql = (Hbar * omega) / (2.0 * BoltzK);

            _addedNoiseTempKelvin = tSql * (1.0 - (1.0 / Math.Max(linearGain, 1.01)));
            quantumNoiseRatio = _addedNoiseTempKelvin / tSql; // 1.0에 근접할수록 양자 한계

            commandedPumpDbm = _currentPumpPowerDbm;
            netGainDb = _estimatedGainDb;
        }

        public double CurrentPumpPowerDbm => _currentPumpPowerDbm;
        public double EstimatedGainDb => _estimatedGainDb;
    }
}