초전도 플럭스 큐비트(Flux Qubit) 자속 양자 중첩 & 1,000Hz 0-Alloc C# 스위트스팟 동조 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Quantum
{
    /// <summary>
    /// 플럭스 큐비트 상태 텔레메트리 구조체 (16-byte 스택 전용)
    /// </summary>
    public readonly ref struct FluxQubitState
    {
        public readonly float QubitFreqGhz;       // 큐비트 전이 주파수 (GHz)
        public readonly float FluxOffsetMilliPhi0;// 목표 대비 자속 오프셋 (mPhi0)
        public readonly float DephasingRateMhz;   // 추정 탈위상화율 (MHz)
        public readonly float DacBiasMicroAmp;    // 1ms 보정 바이어스 전류 (uA)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FluxQubitState(float freq, float offset, float dephasing, float dac)
        {
            QubitFreqGhz = freq;
            FluxOffsetMilliPhi0 = offset;
            DephasingRateMhz = dephasing;
            DacBiasMicroAmp = dac;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz Zero-Allocation 초전도 플럭스 큐비트 스위트스팟 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct FluxQubitSweetSpotServoEngine
    {
        private readonly float _tunnelingSplitDeltaGhz; // 터널링 분열 주파수 Delta (e.g. 4.5 GHz)
        private readonly float _currentSensitivityGhz;   // 자속-에너지 결합 계수 (GHz / mPhi0)
        private float _lastOffsetMilliPhi0;              // 직전 자속 오프셋
        private float _lastBiasCurrentUa;                // 직전 바이어스 전류

        private const float MilliPhi0ToCurrentScale = 1.25f; // uA / mPhi0

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FluxQubitSweetSpotServoEngine(float deltaGhz, float sensitivityGhz)
        {
            _tunnelingSplitDeltaGhz = deltaGhz;
            _currentSensitivityGhz = sensitivityGhz;
            _lastOffsetMilliPhi0 = 0.0f;
            _lastBiasCurrentUa = 0.0f;
        }

        /// <summary>
        /// 1ms 주기(1,000Hz) 마이크로파 공진기 분산 위상으로부터 자속 오프셋 역산 및 바이어스 DAC 보정 (0-Alloc)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FluxQubitState Update1Khz(float cavityPhaseRad, float nominalPhaseRad, float dtSeconds)
        {
            // 1) 공진기 분산 위상차 DeltaPhase = chi *  로부터 자속 비대칭 epsilon 추정
            float deltaPhase = cavityPhaseRad - nominalPhaseRad;
            float estimatedOffsetMilliPhi0 = deltaPhase * 2.8f; // 분산 감도 역함수

            // 2) 큐비트 고유 전이 주파수 f_01 = sqrt(epsilon^2 + Delta^2) 산출
            float epsilonGhz = estimatedOffsetMilliPhi0 * _currentSensitivityGhz;
            float qubitFreqGhz = MathF.Sqrt(epsilonGhz * epsilonGhz + _tunnelingSplitDeltaGhz * _tunnelingSplitDeltaGhz);

            // 3) 1차 자속 감도 기반 순수 탈위상화율(Dephasing Rate) 산출
            // df/dPhi = (epsilon / f_01) * sensitivity
            float firstOrderSensitivity = (MathF.Abs(epsilonGhz) / qubitFreqGhz) * _currentSensitivityGhz;
            float dephasingRateMhz = firstOrderSensitivity * 15.0f; // 1/f 자속 잡음 스케일링

            // 4) 스위트스팟(offset = 0)으로 복귀시키기 위한 비례-적분(PI) DAC 전류 산출
            float targetCurrentUa = -estimatedOffsetMilliPhi0 * MilliPhi0ToCurrentScale;
            _lastBiasCurrentUa += (targetCurrentUa - _lastBiasCurrentUa) * 0.35f;

            _lastOffsetMilliPhi0 = estimatedOffsetMilliPhi0;

            return new FluxQubitState(qubitFreqGhz, estimatedOffsetMilliPhi0, dephasingRateMhz, _lastBiasCurrentUa);
        }
    }
}