이온트랩(Trapped-Ion) 폴 트랩 유사포텐셜 & 1,000Hz 0-Alloc C# 람-디케 양자 바닥상태 포획 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.TrappedIonQuantumControl
{
    /// <summary>
    /// 폴 트랩 RF/DC 전압 및 이온 형광 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct IonTrapState
    {
        public double RfFrequencyMhz { get; }       // RF 구동 주파수 Omega (MHz)
        public double RfVoltagePeakVolt { get; }    // RF 피크 전압 V0 (V)
        public double EndcapDcVolt { get; }         // 엔드캡 DC 전압 (V)
        public double MicromotionAmplitudeNm { get; }// 계측된 마이크로모션 진폭 (nm)
        public double MeanPhononNumber { get; }     // 모드 평균 포논 수 

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IonTrapState(double rfFreq, double v0, double dc, double micro, double phonon)
        {
            RfFrequencyMhz = rfFreq;
            RfVoltagePeakVolt = v0;
            EndcapDcVolt = dc;
            MicromotionAmplitudeNm = micro;
            MeanPhononNumber = phonon;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 폴 트랩 유사포텐셜 연산 및 마이크로모션 상쇄 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct PaulTrapServoEngine
    {
        private const double ElementaryCharge = 1.602176634e-19; // C
        private const double Yb171MassKg = 170.9363 * 1.660539e-27; // Yb+ 질량
        private const double TrapRadiusR0Meters = 0.00075;          // 전극 반경 0.75 mm

        private double _dcCompensationBiasVolt;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PaulTrapServoEngine(double initialDcBias)
        {
            _dcCompensationBiasVolt = initialDcBias;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 우물 깊이 및 DC 보정 전압 산출
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in IonTrapState state,
            out double secularFreqKhz,
            out double pseudopotentialWellEv,
            out double commandedDcBiasVolt,
            out bool isLambDickeRegime)
        {
            // 1. 마티외 q 파라미터 q = 4*e*V0 / (m * r0^2 * Omega^2)
            double omegaRad = 2.0 * Math.PI * (state.RfFrequencyMhz * 1e6);
            double r0Square = TrapRadiusR0Meters * TrapRadiusR0Meters;
            double qParam = (4.0 * ElementaryCharge * state.RfVoltagePeakVolt) / (Yb171MassKg * r0Square * (omegaRad * omegaRad));

            // 2. 거시 진동 주파수 omega_sec = (q / 2*sqrt(2)) * Omega
            double secularRad = (qParam / (2.0 * Math.Sqrt(2.0))) * omegaRad;
            secularFreqKhz = (secularRad / (2.0 * Math.PI)) * 1e-3;

            // 3. 유사포텐셜 우물 깊이 D = q*V0^2 / (4*m*Omega^2*r0^2) in eV
            double depthJoules = (ElementaryCharge * state.RfVoltagePeakVolt * state.RfVoltagePeakVolt) /
                                 (4.0 * Yb171MassKg * (omegaRad * omegaRad) * r0Square);
            pseudopotentialWellEv = depthJoules / ElementaryCharge;

            // 4. 마이크로모션 제거를 위한 보상 DC 바이어스 전압 (P-서보)
            const double kp = 0.085; // V / nm
            _dcCompensationBiasVolt -= kp * (state.MicromotionAmplitudeNm - 0.0);
            commandedDcBiasVolt = Math.Clamp(_dcCompensationBiasVolt, -15.0, 15.0);

            // 5. 람-디케 영역 충족 여부 판정 (포논 수 < 0.15 및 마이크로모션 < 5nm)
            isLambDickeRegime = (state.MeanPhononNumber < 0.15) && (state.MicromotionAmplitudeNm < 5.0);
        }
    }
}