Kvantandurite mudelid: mida Kshana modelleerib ja mida mitte

Kshana on PNT-vastupidavuse (PNT: positsioneerimine, navigatsioon ja aeg) simulaator kvantandurite toimivusmudelitega. See ei ole esimestest printsiipidest lähtuv kvantfüüsika simulaator. See leht ütleb täpselt, mida see tähendab, et sõna „kvant“ ei saaks käsitleda enamana kui see on.

Mida modelleeritakse#

Iga kvant- (ja klassikaline) andur on veamudel, mida juhivad avaldatud müra-eelarve parameetrid:

• Kellad — valgesageduse ja juhusliku sagedushulkumise PSD-d (võimsusspektritihedused), flicker (1/f) Alani põhi ja lineaarne triiv, mille allikaks on andmelehed ja artiklid: CSAC (kiibimõõtmeline aatomkell) Microchip SA.45s; Origlia jt strontsiumi optilise võre kell (arXiv:1503,08457), kosmosele suunatud eesmärk; ja kuus ClockClass vaikeväärtust (CSAC; USO, ülistabiilne ostsillaator; DSAC, sügavkosmose aatomkell; TCXO, temperatuurikompenseeritud kvartsostsillaator; OCXO, ahjuga kontrollitud kvartsostsillaator; RAFS, rubiidiumi aatomsageduse etalon), igaüks viitab ühele allikale. Nende antud Alani hälvet on valideeritud standardsete müratüüpide kallete vastu (vt VALIDATION.md). Üks optilise kella kõver on tegelik: Norcia jt mõõdetud ⁸⁸Sr pintsettkella Alani hälve (Science 2019) on müra sobitusega reprodutseeritud, VALIDATED rida dokumendis VERIFICATION-MATRIX.md; optilisele klassile ehitatud holdover-i arvud jäävad MODELLED.
• Inertsiaalandurid — pakettides inertial ja hübriid üheteljeline (1-DOF, üks vabadusaste) kiirendusmõõturi/güroskoobi veaeelarve: kiiruse juhuslik hulkumine, nurga juhuslik hulkumine, kiirenduse juhuslik hulkumine ja Alani nihkestabiilsuse põhi. Liigid gnss-ins ja hybrid-ukf käitavad selle asemel kolmeteljelist strapdown-mehhaniseeringut kohas src/inertial/ (kvaternioonasend, põhi-ida-alla navigatsioonivõrrandid, deterministlik IMU veamudel).
• Kvantstsenaariumi liigid — quantum-trade, quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect, quantum-gnss-free-nav ja hybrid-ukf — on ehitatud nendest veamudelitest ja on MODELLED; quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect ja quantum-gnss-free-nav annavad lisaks representatiivsuse kirje lendamiseni jäävate lünkadega.
• Mootor on neutraalne: „kvant“ ja „klassikaline“ on sama koodirada erinevate koefitsientidega. Kontrast headusarvudes tuleb täielikult sisendmüra parameetritest, millest igaüks on jälgitav tsiteeritud allikani.

Mida EI modelleerita#

Kellade ja aja edastamise andurite puhul ei simuleerita mingit aluseks olevat kvantfüüsikat — ainult Alani netopanus, mis antakse koefitsiendina. Külmaatomi kiirendusmõõturi jaoks on nüüd olemas esimestest printsiipidest lähtuv kiht (vt allpool); ülejäänud süstemaatilised mõjud on endiselt koefitsiendi tasemel või modelleerimata:

• aatominterferomeetri Mach–Zehnderi faas (Φ = k_eff·a·T²), kvantprojektsiooni- / kildmüra (σ_Φ = 1/(C·√N)), interferomeetri kontrasti vähenemine, tsükliaeg ja vibratsioonisidestuse ülekandefunktsioon (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), valge PSD dispersioon σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) on nüüd modelleeritud esimestest printsiipidest CAI (külmaatomi interferomeeter) kiirendusmõõturi jaoks (src/inertial/quantum_imu.rs), tuletades klassikalise mudeli tarbitava valge kiirenduse PSD q_va koos vöötmetähenduslikkuse dünaamilise ulatusega (a_max = π/(k_eff·T²)) — vt QUANTUM.md;

• Coriolisi süstemaatiline mõju (coriolis_phase / coriolis_accel_bias, ristsidestus 2·v⊥·Ω) ja AC-Starki (AC: vahelduvvool) / valgusnihke süstemaatiline mõju (ac_stark_phase, mis kaob sümmeetrilise kahefootoni häälestuse korral) on nüüd modelleeritud ja ühikutestitud failis src/inertial/quantum_imu.rs;

• veel kolm CAI veaterminit on nüüd modelleeritud teegifunktsioonidena failis src/inertial/cai_error_terms.rs (0,36; MODELLED; pole veel stsenaariumi liigist kättesaadavad):

  • Ramani laserfaasimüra: Cheineti jt (2008) tundlikkusfunktsiooni kaalumine, valem 8, valge faasimüra kinnise kujuga σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (valem 18 ühe tsükli korral) ja arvulise teega mis tahes faasimüra spektri jaoks, pluss laseri sagedusmüra, mida tagasipeegelduse viivitus t_d = 2L/c ei tühista (Le Gouët jt 2007, valemid 9 kuni 11);
  • lainefrondi kõverus (ainult puhas defookus): termilise pilve nihe δg = σ_v²/R kõverusraadiusega R kiirel ning selle vähenemine, kui loetakse ainult detekteerimisraadiuse sees olevaid aatomeid (Louchet-Chauveti jt 2011 ja Schkolniki jt 2015 järgi); kõrgema järgu aberratsioone ei modelleerita;
  • vöötmetähenduslikkuse lahendamine: vale vööndiindeksi tõenäosus erfc(π/(√2·s)) klassikalise kiirendusmõõturi abi puhul (Lautier jt 2014) ja kahe küsitlusaja puhul (Bonnini jt 2018 järgi), pöördfunktsiooniga, mis annab suurima klassikalise müra antud rikketõenäosuse korral.

  Iga kinnist kuju kontrollitakse sõltumatu arvulise tee (sagedusruumi kvadratuur või Monte Carlo aatomite või laskude üle) ja selle piirjuhtude vastu. Ainus avaldatud reprodutseeritud arv on Cheineti jt valge faasimüra tase: −111 dB·rad²/Hz juures τ_R = 20 µs annab umbes 1 mrad laksu kohta (0,99 mrad; artikkel tuletab selle taseme oma valemiga 17, flicker pluss valge). Miski sellest ei ole ühegi instrumendi mõõtmine;

• endiselt ei modelleerita: kõrgema järgu lainefrondi aberratsioone, konkreetse lasersüsteemi faasimüra ja kellapoolset esimestest printsiipidest füüsikat;

• kvant- ja klassikalise inertial pakett on üheteljeline; kolmeteljeline strapdown-rada töötab ainult liikides gnss-ins ja hybrid-ukf (vt IMU, inertsiaalmõõteseadme, märkust failis README ja VALIDATION.md).

Kvantfüüsika kihi lõpuleviimine (CAI veaterminite kättesaadavaks tegemine stsenaariumi liigist, kõrgema järgu lainefrondi aberratsioonid ja kellapoolne esimestest printsiipidest füüsika) on faili ROADMAP.md järele jäänud P2 töö.

Maalaboratooriumi ja lennukõlbulikud arvud#

Parameetritabelid segavad küpsustasemeid; käsitlege neid vastavalt:

Optilise kella arvud Kshanas on kosmosele seatud eesmärgid maapealsel riistvaral. Lennanud optilist kella ei ole; README ja tulemuse päritolu ütlevad seda sõnaselgelt.

Võrdlusalus: ACES/PHARAO ISS-il (töös alates aprillist 2025)#

ESA (Euroopa Kosmoseagentuur) ACES/PHARAO kasulik koorem (ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) — lasertjahutatud tseesiumkell pluss aktiivne vesinikmaser, mis töötab ISS-il (rahvusvaheline kosmosejaam) alates aprillist 2025 — on praegune töötav orbiidil kella stabiilsuse võrdlusalus (sihtmurdstabiilsus suurusjärgus 1e-16 mõne päeva integreerimise järel). Kshana optilise kella mudel esindab agressiivsemat maalaboratoorset eesmärki kui ACES-i lennanud tseesiumi/masseri toimivus; kui võrrelda Kshana optilisi arve sellega, „mis on tegelikult lennanud“, on ACES/PHARAO aus võrdluspunkt ja see on mikrolaine-/maserisüsteem, mitte optilise võre kell.

ACES-i täpsed orbiidil saavutatud toimivusarvud tuleks tsiteerida ESA avaldatud tulemustest, kui need välja tulevad; siinse punkti mõte on küpsuslõhe, mitte konkreetne arv — Kshana optilised arvud on eesmärgid, mitte lennanud toimivus.

Vt ka#

• VALIDATION.md — parameetripõhised sildid validated / not modeled.
• GLOSSARY.md — headusarvu (FoM) definitsioonid ja kõik lühendid.
• INTEGRITY.md — mis on ja mis ei ole terviklikkuse ja turvalisuse FoM-id.
• QUANTUM.md — esimestest printsiipidest lähtuv külmaatomi kiirendusmõõtur.