[단독] AIDT 온디바이스 STEM 방사광 X선 극저온 헬륨 냉각 분수 양자 홀(FQHE) 키랄 루틴저 액체(Chiral Luttinger Liquid) 전하 분수화 서보 v1.0

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

namespace ZeliDesk.Physics.Nanocryo.Luttinger
{
    /// 

    /// FQHE 키랄 에지 채널 및 샷 노이즈 계측 데이터
    /// 
    public readonly record struct FqheShotNoiseSensorData(
        float TunnelCurrentNanoAmp,     // QPC 터널링 전류 I_B (nA)
        float ShotNoisePowerDensityPicoA2Hz,// 계측된 노이즈 파워 밀도 S_I (pA^2/Hz)
        float BiasVoltageMicroVolt,    // 인가 바이어스 전압 V (uV)
        float DilutionFridgeTempMilliK,// 희석 냉동기 온도 (mK, 10mK ~ 100mK)
        float MagneticFieldTesla       // 초강자장 B (T, 12T ~ 16T)
    );

    /// 

    /// 전하 분수화 서보 출력 명령
    /// 
    public readonly record struct FqheLuttingerServoResult(
        float QpcGateTrimVoltageMilliV,// QPC 스플릿 게이트 보정 전압 (mV)
        float ExtractedFanoFactor,     // 계산된 파노 인자 F = e*/e
        float FractionalChargeRatio,   // 전하 분수화 비율 (이론치 0.333)
        bool IsFractionalStateLocked   // e/3 분수 양자 전하 상태 락온 여부
    );

    /// 

    /// 온디바이스 분수 양자 홀 키랄 루틴저 액체 능동 서보
    /// 
    public ref struct ChiralLuttingerLiquidServo
    {
        public const float ElectronChargeC = 1.602176634e-19f;
        private const float TargetFanoFraction = 1.0f / 3.0f; // e/3 분수화
        private float _integratedFanoError;
        private float _prevFanoFactor;

        public ChiralLuttingerLiquidServo(float initialFano)
        {
            _integratedFanoError = 0.0f;
            _prevFanoFactor = initialFano;
        }

        /// 

        /// 100kHz 고속 루프: 샷 노이즈 스펙트럼 기반 파노 인자 e/3 추적 서보
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FqheLuttingerServoResult UpdateServo(in FqheShotNoiseSensorData data, float dt)
        {
            // 1. 순수 샷 노이즈 기반 유효 전하 및 파노 인자 추출: F = S_I / (2 * e * I)
            // S_I 단위: pA^2/Hz = 1e-24 A^2/Hz, I 단위: nA = 1e-9 A
            float sI_A = data.ShotNoisePowerDensityPicoA2Hz * 1e-24f;
            float iB_A = Math.Max(1e-12f, data.TunnelCurrentNanoAmp * 1e-9f);

            float extractedFano = sI_A / (2.0f * ElectronChargeC * iB_A);

            // 2. e/3 목표 파노 인자 오차 산출
            float fanoError = TargetFanoFraction - extractedFano;
            _integratedFanoError += fanoError * dt;
            float dFano = (extractedFano - _prevFanoFactor) / Math.Max(1e-7f, dt);
            _prevFanoFactor = extractedFano;

            // 3. QPC 게이트 전압 제어 (Kp = 15.0, Ki = 2.5, Kd = 0.2)
            float vGateTrimMv = (15.0f * fanoError + 2.5f * _integratedFanoError - 0.2f * dFano * 1e-6f);
            vGateTrimMv = Math.Clamp(vGateTrimMv, -20.0f, 20.0f);

            // 락온 조건: 파노 인자 1/3 대비 오차 3% 이내, 극저온 50mK 이하, 자장 13T 이상
            bool isLocked = (MathF.Abs(extractedFano - TargetFanoFraction) < 0.012f) &&
                            (data.DilutionFridgeTempMilliK <= 50.0f) &&
                            (data.MagneticFieldTesla >= 13.0f);

            return new FqheLuttingerServoResult(
                vGateTrimMv,
                extractedFano,
                extractedFano,
                isLocked
            );
        }

        /// 

        /// 다채널 샷 노이즈 주파수 빈(Frequency Bins)에 대한 SIMD 파노 인자 일괄 벡터 연산
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void BatchComputeFanoFactorNoiseSIMD(
            ReadOnlySpan noisePowers,
            float tunnelCurrentNa,
            Span outFanoFactors)
        {
            int i = 0;
            int vectorSize = Vector256.Count;
            float denom = 2.0f * ElectronChargeC * (tunnelCurrentNa * 1e-9f);
            float scale = 1e-24f / Math.Max(1e-30f, denom);
            var scaleVec = Vector256.Create(scale);

            for (; i <= noisePowers.Length - vectorSize; i += vectorSize)
            {
                var pVec = Vector256.LoadUnsafe(in noisePowers[i]);
                var fanoVec = Vector256.Multiply(pVec, scaleVec);
                fanoVec.StoreUnsafe(ref outFanoFactors[i]);
            }

            for (; i < noisePowers.Length; i++)
            {
                outFanoFactors[i] = (noisePowers[i] * 1e-24f) / denom;
            }
        }
    }
}