양자 통신 위성 지상국 간 자유공간 양자키분배(QKD) 대기 난류 편광 섭동 & 1,000Hz 0-Alloc C# 적응광학(AO) 파면 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Quantum;

public readonly ref struct AoCorrectionState
{
    public readonly double WavefrontRmsErrorNm;
    public readonly double FiberCouplingEfficiency;
    public readonly double EstimatedQber;
    public readonly double StrehlRatio;
    public readonly bool IsLinkSecure;

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public AoCorrectionState(double rmsNm, double couplingEff, double qber, double strehl, bool secure)
    {
        WavefrontRmsErrorNm = rmsNm;
        FiberCouplingEfficiency = couplingEff;
        EstimatedQber = qber;
        StrehlRatio = strehl;
        IsLinkSecure = secure;
    }
}

public ref struct QuantumAdaptiveOpticsSimulator
{
    private const int ModeCount = 8; // 팁/틸트, 디포커스, 비점수차, 코마 등 상위 8차 제르니케 모드
    private const double LaserWavelengthNm = 850.0; // 850nm 양자 통신 파장
    private const double MaxCouplingTheory = 0.81; // 이상적인 단일모드 광섬유 결합 효율

    private Span<double> _zernikeCoeffs;
    private double _integralGain;

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public QuantumAdaptiveOpticsSimulator(Span<double> coeffBuffer, double gain = 0.35)
    {
        if (coeffBuffer.Length < ModeCount)
            throw new ArgumentException("Buffer must have at least 8 elements.");

        _zernikeCoeffs = coeffBuffer.Slice(0, ModeCount);
        _zernikeCoeffs.Clear();
        _integralGain = gain;
    }

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public AoCorrectionState ProcessWavefront(ReadOnlySpan<double> sensorSlopes)
    {
        // 1. 센서 기울기(Slope)로부터 제르니케 수차 모드 실시간 분해
        // 간략화된 투영 가중치 역산
        for (int j = 0; j < ModeCount; j++)
        {
            double slopeVal = (j < sensorSlopes.Length) ? sensorSlopes[j] : 0.0;
            // 적분 제어기를 통한 파면 잔차 누적 감쇠
            _zernikeCoeffs[j] = _zernikeCoeffs[j] * 0.85 - slopeVal * _integralGain;
        }

        // 2. 잔류 파면 왜곡 RMS 계산
        double sumSq = 0.0;
        for (int j = 0; j < ModeCount; j++)
        {
            sumSq += _zernikeCoeffs[j] * _zernikeCoeffs[j];
        }
        double rmsPhaseRad = Math.Sqrt(sumSq / ModeCount);
        double wavefrontRmsErrorNm = (rmsPhaseRad / (2.0 * Math.PI)) * LaserWavelengthNm;

        // 3. 마레샬 근사(Maréchal Approximation) 기반 슈트렐 비(Strehl Ratio) 산출
        double strehl = Math.Exp(-rmsPhaseRad * rmsPhaseRad);
        if (strehl > 1.0) strehl = 1.0;

        // 4. 단일 모드 광섬유 결합 효율 및 양자 비트 에러율(QBER) 예측
        double couplingEff = MaxCouplingTheory * strehl;
        // 결합 효율이 저하되면 신호 대 잡음비(SNR) 감소로 QBER 급증
        double qber = 0.015 + 0.15 * Math.Max(0.0, 1.0 - strehl);
        bool secure = qber < 0.11; // 11% 무조건적 보안 임계치 이하

        return new AoCorrectionState(wavefrontRmsErrorNm, couplingEff, qber, strehl, secure);
    }
}