초전도 나노와이어 단일광자 검출기(SNSPD) 핫스팟 저항 전이 & 1,000Hz 0-Alloc C# 100MHz 양자키분배(QKD) 피코초 지터 보정 및 광섬유 위상 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.QuantumCrypto
{
    /// 

    /// 1,000Hz SNSPD 핫스팟 펄스 시간 태깅 및 QKD 광섬유 위상 지터 보정 서보
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct SnspdQuantumKeyServo
    {
        // 물리 상수
        private const float SpeedOfLightInFiberMps = 2.04e8f; // 광섬유 내 광속 (n = 1.47)
        private const float TdcResolutionPs = 10.0f;          // TDC 분해능 10 ps
        private const float RepetitionRateMhz = 100.0f;       // QKD 펄스 반복률 100 MHz
        private const float TargetGateWindowPs = 250.0f;      // 시간 게이트 윈도우

        // 서보 제어 상태
        public float MeanArrivalOffsetPs;
        public float TimingJitterRmsPs;
        public float QuantumBitErrorRatePercent;
        public float CommandedPiezoVoltageV;
        public float SecureKeyRateKbps;
        public bool IsKeyGenerationSafe;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            MeanArrivalOffsetPs = 0.0f;
            TimingJitterRmsPs = 18.0f;
            QuantumBitErrorRatePercent = 2.1f;
            CommandedPiezoVoltageV = 50.0f; // 초기 50V 중간 바이어스
            SecureKeyRateKbps = 250.0f;
            IsKeyGenerationSafe = true;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: TDC 광자 도달시간 오프셋 배열로부터 위상 지터 역산 및 피에조 스트레처 서보 출력
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepQkdTimingControl(
            ReadOnlySpan photonArrivalOffsetsPs, 
            int darkCountIn1Ms, 
            float opticalLossDb,
            out float piezoOutputVoltageV, 
            out float currentQberPercent, 
            out float keyRateKbps)
        {
            // 1. 단일 광자 도달 시간 평균 및 지터(표준편차) 산출 (Zero-Alloc 스택 연산)
            float sumOffset = 0.0f;
            float sumSquared = 0.0f;
            int count = photonArrivalOffsetsPs.Length;

            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                float dt = photonArrivalOffsetsPs[i];
                sumOffset += dt;
                sumSquared += dt * dt;
            }

            if (count > 0)
            {
                MeanArrivalOffsetPs = sumOffset / count;
                float variance = MathF.Max(0.0f, (sumSquared / count) - (MeanArrivalOffsetPs * MeanArrivalOffsetPs));
                TimingJitterRmsPs = MathF.Sqrt(variance);
            }

            // 2. 타이밍 지터 및 암계수 기반 QBER 모델링
            // 지터가 게이트 윈도우를 벗어나거나 암계수가 증가할 때 에러율 상승
            float jitterPenalty = MathF.Max(0.0f, (TimingJitterRmsPs - 20.0f) * 0.15f);
            float darkRatio = (float)darkCountIn1Ms / Math.Max(1, count + darkCountIn1Ms);
            QuantumBitErrorRatePercent = 1.2f + jitterPenalty + darkRatio * 40.0f;

            // 안전 임계치(11%) 판정
            IsKeyGenerationSafe = QuantumBitErrorRatePercent < 8.5f;

            // 3. 1,000Hz 피에조 광섬유 신축기 PID 위상 제어기 (광로차 나노초 지연 상쇄)
            // 전압 감도: 1V당 5ps 광학 지연 유도
            const float KpPiezo = 0.08f; // V per ps
            float dV = MeanArrivalOffsetPs * KpPiezo;
            CommandedPiezoVoltageV = MathF.Max(0.0f, MathF.Min(120.0f, CommandedPiezoVoltageV - dV));

            // 4. 순수 비밀키 생성률(Secure Key Rate) 산출
            if (IsKeyGenerationSafe)
            {
                float rawKeyRate = count * 1.0f; // 1ms당 유효 카운트 -> kbps
                // Shannon 에러 정정 및 프라이버시 증폭 압축 계수 (1 - 2*H(QBER))
                float hQber = - (QuantumBitErrorRatePercent * 0.01f) * MathF.Log2(MathF.Max(0.001f, QuantumBitErrorRatePercent * 0.01f));
                float efficiency = MathF.Max(0.0f, 1.0f - 2.0f * hQber);
                SecureKeyRateKbps = rawKeyRate * efficiency;
            }
            else
            {
                SecureKeyRateKbps = 0.0f;
            }

            piezoOutputVoltageV = CommandedPiezoVoltageV;
            currentQberPercent = QuantumBitErrorRatePercent;
            keyRateKbps = SecureKeyRateKbps;
        }
    }
}