방사광 X선 극저온 공동 양자전기역학(Cavity-QED) 강결합 진공 라비 분할(Vacuum Rabi Splitting) 서보 C# SIMD 엔진

3. C# .NET 9.0 Zero-Allocation 100,000Hz PDH 공동 길이 잠금 서보 엔진

동적 힙 할당을 배제한 고정밀 수치 알고리즘으로 100kHz 주기로 PDH 복조 신호를 처리하여 피에조 구동기에 서브피코미터 보정 전압을 인가합니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Quantum.CavityQED
{
    /// <summary>
    /// 고피네스 공동 전송 및 PDH 반사 오차 신호 원격 측정 데이터 (100kHz 샘플링)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 4)]
    public readonly struct CavityOpticsTelemetry
    {
        public readonly float TimestampUs;
        public readonly float PdhErrorSignalVolts;
        public readonly float TransmittedCavityPowerMw;
        public readonly float AtomicFluorescenceCounts;
        public readonly float CryoBaseTemperatureK;

        public CavityOpticsTelemetry(
            float timeUs, float pdhErr, float transPwr, float counts, float tempK)
        {
            TimestampUs = timeUs;
            PdhErrorSignalVolts = pdhErr;
            TransmittedCavityPowerMw = transPwr;
            AtomicFluorescenceCounts = counts;
            CryoBaseTemperatureK = tempK;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 100kHz 서브피코미터 공동 길이 고정 및 진공 라비 분할 유지 서보 엔진
    /// </summary>
    public sealed class CavityQedStrongCouplingServoEngine
    {
        private const float PztVoltsPerPicometer = 0.042f; // 피에조 감도
        private const float PdhKp = 2.45f;
        private const float PdhKi = 0.185f;
        private const float RabiSplittingExpectedMhz = 68.4f;

        private float _accumulatedPdhError;
        private float _currentPztVolts;

        public CavityQedStrongCouplingServoEngine()
        {
            _accumulatedPdhError = 0.0f;
            _currentPztVolts = 45.0f; // 초기 바이어스 전압
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public void ComputeLengthStabilization(
            in CavityOpticsTelemetry telemetry,
            out bool isStrongCoupled,
            out float estimatedLengthDeviationPm,
            out float commandedPztVoltage)
        {
            float pdhErr = telemetry.PdhErrorSignalVolts;

            // 1. PDH 신호 기반 공동 길이 편차(pm) 역산
            estimatedLengthDeviationPm = pdhErr * 0.85f; // 전압-거리 변환

            // 2. 100kHz 고주파 PI 제어 루프
            _accumulatedPdhError += pdhErr;
            float deltaV = (PdhKp * pdhErr) + (PdhKi * _accumulatedPdhError);

            _currentPztVolts += deltaV * PztVoltsPerPicometer;
            _currentPztVolts = Math.Clamp(_currentPztVolts, 0.0f, 150.0f);
            commandedPztVoltage = _currentPztVolts;

            // 3. 강결합 영역 진공 라비 분할 유지 판정 (길이 오차 < 0.4pm)
            bool isLengthLocked = MathF.Abs(estimatedLengthDeviationPm) < 0.40f;
            bool isAtomPresent = telemetry.AtomicFluorescenceCounts > 120.0f;
            isStrongCoupled = isLengthLocked && isAtomPresent;
        }
    }
}