방사광 X선 극저온 중성원자 광집게(Optical Tweezer) 2D 어레이 무결함 재배열 SLM 서보 C# SIMD 엔진

3. C# .NET 9.0 Zero-Allocation 50,000Hz 원자 정렬 및 AOD 주파수 합성 엔진

힙 메모리 할당 없는 `ref struct`와 64비트 비트마스크/SIMD 가속을 통해 64개 트랩의 원자 존재 여부를 20us 내에 판정하고 AOD 주파수 스위핑 제어량을 출력합니다.

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

namespace ZeliDesk.Quantum.NeutralAtom
{
    /// <summary>
    /// 8x8 (64개) 광집게 형광 검출 원격 측정 패킷 (50kHz 고속 루프)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct TweezerArrayFluorescenceTelemetry
    {
        public readonly double TimestampUs;
        public readonly ulong AtomPresenceBitmask; // 64개 비트 (1: 원자 존재, 0: 공백)
        public readonly float OpticalTrapDepthMicroK;
        public readonly float CurrentAodBaseFreqMhz;

        public TweezerArrayFluorescenceTelemetry(
            double timeUs, ulong mask, float depth, float aodFreq)
        {
            TimestampUs = timeUs;
            AtomPresenceBitmask = mask;
            OpticalTrapDepthMicroK = depth;
            CurrentAodBaseFreqMhz = aodFreq;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 50kHz 중성원자 무결함 재배열 경로 탐색 및 AOD 다중 톤 제어 서보 엔진
    /// </summary>
    public sealed class OpticalTweezerRearrangementServoEngine
    {
        private const int GridSize = 8;
        private const float TrapPitchMicrons = 4.0f; // 4um 간격
        private const float AodMhzPerMicron = 0.850f; // AOD 주파수 감도

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public void ComputeRearrangementPlan(
            in TweezerArrayFluorescenceTelemetry telemetry,
            out int totalLoadedAtoms,
            out bool isFullyCompacted,
            out float commandedMovingAodFreqMhz,
            out float commandedMovingAodRfPowerDb)
        {
            ulong mask = telemetry.AtomPresenceBitmask;
            totalLoadedAtoms = System.Numerics.BitOperations.PopCount(mask);

            // 1. 목표 타겟: 중앙 4x4 (16개 원자) 완전 결함 없는 영역 구성
            const ulong Target4x4Mask = 0x00003C3C3C3C0000UL;
            ulong missingInTarget = Target4x4Mask & (~mask);
            isFullyCompacted = (missingInTarget == 0UL);

            if (isFullyCompacted)
            {
                // 재배열 완료: 이동 빔 차단
                commandedMovingAodFreqMhz = telemetry.CurrentAodBaseFreqMhz;
                commandedMovingAodRfPowerDb = -60.0f;
                return;
            }

            // 2. 외곽 잉여 원자 중 가장 가까운 원자 추출 (최하위 비트 탐색)
            ulong reservoirAtoms = mask & (~Target4x4Mask);
            int donorIdx = System.Numerics.BitOperations.TrailingZeroCount(reservoirAtoms);
            int targetIdx = System.Numerics.BitOperations.TrailingZeroCount(missingInTarget);

            if (donorIdx < 64 && targetIdx < 64)
            {
                int donorX = donorIdx % GridSize;
                int targetX = targetIdx % GridSize;

                float deltaX = (targetX - donorX) * TrapPitchMicrons;
                float targetFreq = telemetry.CurrentAodBaseFreqMhz + (deltaX * AodMhzPerMicron);

                commandedMovingAodFreqMhz = targetFreq;
                commandedMovingAodRfPowerDb = 12.5f; // 원자 픽업 파워
            }
            else
            {
                commandedMovingAodFreqMhz = telemetry.CurrentAodBaseFreqMhz;
                commandedMovingAodRfPowerDb = -60.0f;
            }
        }
    }
}