Modelos de sensores cuánticos: qué modela Kshana y qué no

Kshana es un simulador de resiliencia PNT (PNT: posicionamiento, navegación y temporización) con modelos de rendimiento de sensores cuánticos. No es un simulador de física cuántica a partir de principios fundamentales. Esta página establece con exactitud lo que eso significa, para que el enfoque «cuántico» no pueda tomarse por algo más de lo que es.

Lo que SÍ se modela#

Cada sensor cuántico (y clásico) es un modelo de errores alimentado por parámetros publicados de presupuesto de ruido:

• Relojes: PSD (densidades espectrales de potencia) de ruido blanco de frecuencia y de paseo aleatorio de frecuencia, un suelo de Allan de flicker (1/f) y deriva lineal, a partir de hojas de datos y artículos: el CSAC (reloj atómico a escala de chip) Microchip SA.45s; el reloj de red óptica de estroncio de Origlia et al. (arXiv:1503,08457), un objetivo de orientación espacial; y los seis valores por defecto de ClockClass (CSAC; USO, oscilador ultraestable; DSAC, Deep Space Atomic Clock; TCXO, oscilador de cristal con compensación de temperatura; OCXO, oscilador de cristal con horno; RAFS, patrón de frecuencia atómico de rubidio), cada uno con una fuente citada. La desviación de Allan que producen se valida frente a las pendientes estándar de los tipos de ruido (véase VALIDATION.md). Una curva de reloj óptico es real: la desviación de Allan medida del reloj de pinzas de ⁸⁸Sr de Norcia et al. (Science 2019) se reproduce con el ajuste de ruido, una fila VALIDATED en VERIFICATION-MATRIX.md; las cifras de holdover construidas sobre la clase óptica siguen siendo MODELLED.
• Sensores inerciales: en los paquetes inertial e híbridos, un presupuesto de errores de acelerómetro/giróscopo de un solo eje (1-DOF, un grado de libertad): paseo aleatorio de velocidad, paseo aleatorio angular, paseo aleatorio de aceleración y un suelo de Allan de inestabilidad del sesgo. En cambio, los tipos de escenario gnss-ins y hybrid-ukf ejecutan la mecanización strapdown de tres ejes de src/inertial/ (actitud en cuaternios, ecuaciones de navegación norte-este-abajo, un modelo determinista de errores de la IMU).
• Los tipos de escenario cuánticos (quantum-trade, quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect, quantum-gnss-free-nav y hybrid-ukf) se construyen a partir de estos modelos de errores y son MODELLED; quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect y quantum-gnss-free-nav informan además de un registro de representatividad con las brechas hasta el vuelo.
• El motor es neutral: «cuántico» y «clásico» son la misma ruta de código con coeficientes distintos. El contraste en las cifras de mérito procede por completo de los parámetros de ruido de entrada, cada uno trazable hasta una fuente citada.

Lo que NO se modela#

En los sensores de reloj y de transferencia de tiempo no se simula nada de la física cuántica subyacente, solo la contribución neta de Allan, aportada como coeficiente. Para el acelerómetro de átomos fríos existe ahora una capa a partir de principios fundamentales (véase abajo); el resto de las sistemáticas sigue a nivel de coeficiente o sin modelar:

• la fase de Mach–Zehnder del interferómetro atómico (Φ = k_eff·a·T²), el ruido de proyección cuántica / de disparo (σ_Φ = 1/(C·√N)), el decaimiento del contraste del interferómetro, el tiempo de ciclo y la función de transferencia de acoplamiento de vibraciones (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), varianza de PSD blanca σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) se modelan ahora a partir de principios fundamentales para el acelerómetro CAI (interferómetro de átomos fríos) (src/inertial/quantum_imu.rs), derivando la PSD de aceleración blanca q_va que consume el modelo clásico, junto con el rango dinámico de ambigüedad de franjas (a_max = π/(k_eff·T²)); véase QUANTUM.md;

• la sistemática de Coriolis (coriolis_phase / coriolis_accel_bias, el acoplamiento cruzado 2·v⊥·Ω) y la sistemática de AC-Stark (AC: corriente alterna) / desplazamiento lumínico (ac_stark_phase, que se cancela con una desintonía simétrica de dos fotones) se modelan ahora y tienen pruebas unitarias en src/inertial/quantum_imu.rs;

• otros tres términos de error del CAI se modelan ahora como funciones de biblioteca en src/inertial/cai_error_terms.rs (0,36; MODELLED; todavía no son accesibles desde un tipo de escenario):

  • ruido de fase del láser Raman: la ponderación por función de sensibilidad de Cheinet et al. (2008), Ec. 8, con la forma cerrada de ruido blanco de fase σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (Ec. 18 a un ciclo) y una vía numérica para cualquier espectro de ruido de fase, además del ruido de frecuencia del láser que el retardo de retrorreflexión t_d = 2L/c no cancela (Le Gouët et al. 2007, Ecs. 9 a 11);
  • curvatura del frente de onda (solo desenfoque puro): el sesgo δg = σ_v²/R de una nube térmica en un haz de radio de curvatura R, y su reducción cuando solo se cuentan los átomos situados dentro de un radio de detección (según Louchet-Chauvet et al. 2011 y Schkolnik et al. 2015); no se modelan las aberraciones de orden superior;
  • resolución de la ambigüedad de franjas: la probabilidad de un índice de franja erróneo, erfc(π/(√2·s)), para una ayuda de acelerómetro clásico (Lautier et al. 2014) y para dos tiempos de interrogación (según Bonnin et al. 2018), con la inversa que da el mayor ruido clásico para una probabilidad de fallo dada.

  Cada forma cerrada se comprueba frente a una vía numérica independiente (cuadratura en el dominio de la frecuencia, o un Monte Carlo sobre átomos o disparos) y frente a sus casos límite. La única cifra publicada que se reproduce es el nivel de ruido blanco de fase de Cheinet et al.: −111 dB·rad²/Hz con τ_R = 20 µs da unos 1 mrad por disparo (0,99 mrad; el artículo deriva ese nivel con su Ec. 17, flicker más blanco). Nada de esto es una medición de ningún instrumento;

• todavía no se modelan: las aberraciones de frente de onda de orden superior, el ruido de fase de un sistema láser concreto y la física a partir de principios fundamentales del lado del reloj;

• el paquete inertial de comparación cuántico frente a clásico es de un solo eje; la ruta strapdown de tres ejes solo se ejecuta en gnss-ins y hybrid-ukf (véase la nota sobre la IMU, unidad de medida inercial, en el README y en VALIDATION.md).

Completar la capa de física cuántica (alcanzar los términos de error del CAI desde un tipo de escenario, las aberraciones de frente de onda de orden superior y la física a partir de principios fundamentales del lado del reloj) es el trabajo P2 pendiente en ROADMAP.md.

Cifras de laboratorio en tierra frente a cifras calificadas para vuelo#

Las tablas de parámetros mezclan niveles de madurez; trátelas en consecuencia:

Las cifras de reloj óptico en Kshana son objetivos espaciales sobre hardware de tierra. No existe ningún reloj óptico que haya volado; el README y la procedencia de los resultados lo dicen de forma explícita.

Benchmark: ACES/PHARAO en la ISS (operativo desde abril de 2025)#

La carga útil ACES/PHARAO de la ESA (Agencia Espacial Europea) (ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite), un reloj de cesio enfriado por láser más un máser de hidrógeno activo, que opera en la ISS (Estación Espacial Internacional) desde abril de 2025, es el benchmark operativo actual de estabilidad de reloj en órbita (estabilidad fraccional objetivo del orden de 1e-16 tras unos días de integración). El modelo de reloj óptico de Kshana representa un objetivo de laboratorio en tierra más ambicioso que el rendimiento de cesio/máser en vuelo de ACES; al comparar las cifras ópticas de Kshana con «lo que realmente ha volado», ACES/PHARAO es el punto de referencia honesto, y es un sistema de microondas/máser, no un reloj de red óptica.

Las cifras exactas de rendimiento en órbita de ACES deben citarse de los resultados publicados por la ESA a medida que se difundan; lo que importa aquí es la brecha de madurez, no una cifra concreta: las cifras ópticas de Kshana son objetivos, no rendimiento en vuelo.

Véase también#

• VALIDATION.md: etiquetas validated / not modeled por parámetro.
• GLOSSARY.md: definiciones de cifras de mérito (FoM) y todas las abreviaturas.
• INTEGRITY.md: qué son y qué no son las FoM de integridad y de seguridad.
• QUANTUM.md: el acelerómetro de átomos fríos a partir de principios fundamentales.