방사광 X선 극저온 포획 이온 양자 시뮬레이터 이징(Ising) 동적 양자 상전이 서보 C# SIMD 엔진

3. C# .NET 9.0 Zero-Allocation 100,000Hz AOM 위상 및 퀀치 서보 엔진

스택 기반 SIMD 벡터 누산기를 통해 32개 이온의 형광 광자 계측 신호를 실시간 처리하고, 광음향 변조기(AOM)의 32채널 RF 위상 드리프트를 보정합니다.

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

namespace ZeliDesk.Quantum.IonTrap
{
    /// <summary>
    /// 32개 포획 이온 사슬 PMT 검출 광자 계수 및 레이저 텔레메트리 (100kHz 샘플링)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 4)]
    public readonly struct IonChainTelemetry
    {
        public readonly float TimestampUs;
        public readonly float TransverseRamanDetuningMhz;
        public readonly float EffectiveMagneticFieldBzGauss;
        public readonly Vector256<float> Segment1IonStates; // 이온 0~7
        public readonly Vector256<float> Segment2IonStates; // 이온 8~15
        public readonly Vector256<float> Segment3IonStates; // 이온 16~23
        public readonly Vector256<float> Segment4IonStates; // 이온 24~31

        public IonChainTelemetry(
            float time, float detuning, float bz,
            Vector256<float> s1, Vector256<float> s2,
            Vector256<float> s3, Vector256<float> s4)
        {
            TimestampUs = time;
            TransverseRamanDetuningMhz = detuning;
            EffectiveMagneticFieldBzGauss = bz;
            Segment1IonStates = s1;
            Segment2IonStates = s2;
            Segment3IonStates = s3;
            Segment4IonStates = s4;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 100kHz 이온 트랩 AOM 위상 드리프트 보상 및 로슈미트 에코 분석 서보 엔진
    /// </summary>
    public sealed class TrappedIonIsingSimulatorServoEngine
    {
        private const float TargetDetuningMhz = 3.250f;
        private const float AomKp = 0.052f;
        private const float AomKi = 0.0048f;

        private float _accumulatedPhaseErr;

        public TrappedIonIsingSimulatorServoEngine()
        {
            _accumulatedPhaseErr = 0.0f;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public void ComputeSimulationStep(
            in IonChainTelemetry telemetry,
            out float currentMagnetizationMx,
            out float estimatedLoschmidtRateLambda,
            out float commandedAomPhaseCorrectionDeg)
        {
            // 1. 32개 이온의 전체 평균 자화 M_x 연산 (SIMD 4개 벡터 누산)
            Vector256<float> sumVec = Avx.Add(telemetry.Segment1IonStates, telemetry.Segment2IonStates);
            sumVec = Avx.Add(sumVec, telemetry.Segment3IonStates);
            sumVec = Avx.Add(sumVec, telemetry.Segment4IonStates);

            Span<float> sSpan = stackalloc float[8];
            MemoryMarshal.Write(MemoryMarshal.AsBytes(sSpan), in sumVec);

            float totalSpin = 0.0f;
            for (int i = 0; i < 8; i++) totalSpin += sSpan[i];
            currentMagnetizationMx = totalSpin / 32.0f;

            // 2. 비평형 로슈미트 에코 레이트 함수 lambda(t) 추정
            float overlap = MathF.Abs(currentMagnetizationMx);
            overlap = Math.Clamp(overlap, 1e-4f, 1.0f);
            estimatedLoschmidtRateLambda = -MathF.Log(overlap * overlap);

            // 3. 100kHz 레이저 라만 비트노트 위상 추적 및 AOM 피드백 제어
            float detuningErr = telemetry.TransverseRamanDetuningMhz - TargetDetuningMhz;
            _accumulatedPhaseErr += detuningErr;

            float deltaPhase = (AomKp * detuningErr) + (AomKi * _accumulatedPhaseErr);
            commandedAomPhaseCorrectionDeg = Math.Clamp(deltaPhase * 57.2958f, -45.0f, 45.0f);
        }
    }
}