Kvanttianturimallit: mitä Kshana mallintaa ja mitä ei

Kshana on PNT-kestävyyssimulaattori (PNT: paikannus, navigointi ja ajanmääritys), jossa on kvanttianturien suorituskykymalleja. Se ei ole kvanttifysiikan ensiperiaatteista laskeva simulaattori. Tällä sivulla todetaan tarkasti, mitä se tarkoittaa, jotta ”kvantti”-nimitystä ei voi pitää suurempana kuin se on.

Mitä mallinnetaan#

Jokainen kvantti- (ja klassinen) anturi on virhemalli, jota ajavat julkaistut kohinabudjetin parametrit:

• Kellot — valkoisen taajuuskohinan ja taajuuden satunnaiskulun tehospektritiheydet (PSD), flicker-Allanin (1/f) alaraja ja lineaarinen ajautuma, peräisin tietolehdistä ja artikkeleista: CSAC (sirumittakaavan atomikello) Microchip SA.45s; Origlian ym. strontiumin optinen hilakello (arXiv:1503,08457), avaruuteen suuntautuva tavoite; sekä kuusi oletusta ClockClass (CSAC; USO, erittäin vakaa oskillaattori; DSAC, Deep Space Atomic Clock; TCXO, lämpötilakompensoitu kideoskillaattori; OCXO, uunistabiloitu kideoskillaattori; RAFS, rubidiumatomitaajuusnormaali), kullakin yksi lähde. Näiden tuottama Allanin poikkeama on validoitu vakiokohinatyyppien kulmakertoimia vasten (ks. VALIDATION.md). Yksi optisen kellon käyrä on todellinen: Norcian ym. (Science 2019) mitattu ⁸⁸Sr-pinsettikellon Allanin poikkeama toistuu kohinasovituksella, mikä on VALIDATED-rivi tiedostossa VERIFICATION-MATRIX.md; optiseen luokkaan perustuvat holdover-luvut pysyvät MODELLED.
• Inertia-anturit — paketeissa inertial ja hybridipaketeissa yksiakselinen (1-DOF, yksi vapausaste) kiihtyvyysanturin/gyron virhebudjetti: nopeuden satunnaiskulku, kulman satunnaiskulku, kiihtyvyyden satunnaiskulku ja Allanin bias-epävakauden alaraja. Tyypit gnss-ins ja hybrid-ukf sen sijaan ajavat kolmiakselisen strapdown-mekanisoinnin hakemistossa src/inertial/ (kvaternioasento, pohjoinen–itä–alas-navigointiyhtälöt, deterministinen IMU-virhemalli).
• Kvanttiskenaariotyypit — quantum-trade, quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect, quantum-gnss-free-nav ja hybrid-ukf — rakennetaan näistä virhemalleista ja ne ovat MODELLED; tyypit quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect ja quantum-gnss-free-nav raportoivat lisäksi edustavuustietueen ja aukot lentoon.
• Moottori on neutraali: ”kvantti” ja ”klassinen” ovat sama koodipolku eri kertoimilla. Laatumittareiden ero tulee kokonaan syöttökohinaparametreista, joista jokainen on jäljitettävissä siteerattuun lähteeseen.

Mitä EI mallinneta#

Kellojen ja ajansiirtoanturien osalta mitään taustalla olevaa kvanttifysiikkaa ei simuloida — vain nettovaikutus Allanin poikkeamaan, kertoimena annettuna. Kylmäatomikiihtyvyysanturille on nyt olemassa ensiperiaatteista laskeva kerros (ks. alla); loput systemaattiset virheet ovat yhä kerrointasolla tai mallintamatta:

• atomi-interferometrin Mach–Zehnder-vaihe (Φ = k_eff·a·T²), kvanttiprojektio- / haulikohina (σ_Φ = 1/(C·√N)), interferometrin kontrastin vaimeneminen, sykliaika ja tärinäkytkennän siirtofunktio (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), valkoisen PSD:n varianssi σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) mallinnetaan nyt ensiperiaatteista CAI-kiihtyvyysanturille (kylmäatomi-interferometri) (src/inertial/quantum_imu.rs), ja siitä johdetaan valkoisen kiihtyvyyden PSD q_va, jota klassinen malli käyttää, yhdessä raitaepäselvyyden dynaamisen alueen (a_max = π/(k_eff·T²)) kanssa — ks. QUANTUM.md;

• Coriolis-ilmiön systemaattinen virhe (coriolis_phase / coriolis_accel_bias, ristikytkentä 2·v⊥·Ω) ja AC-Stark (AC: vaihtovirta) / valosiirtymä -systemaattinen virhe (ac_stark_phase, joka kumoutuu symmetrisellä kaksifotonivirityksellä) mallinnetaan ja yksikkötestataan nyt tiedostossa src/inertial/quantum_imu.rs;

• kolme muuta CAI-virhetermiä mallinnetaan nyt kirjastofunktioina tiedostossa src/inertial/cai_error_terms.rs (0,36; MODELLED; ei vielä saavutettavissa skenaariotyypistä):

  • Raman-laserin vaihekohina: Cheinetin ym. (2008) herkkyysfunktiopainotus, yhtälö 8, valkoisen vaihekohinan suljetulla muodolla σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (yhtälö 18 yhdellä syklillä) ja numeerisella reitillä mille tahansa vaihekohinaspektrille, sekä laserin taajuuskohina, jota takaisinheijastuksen viive t_d = 2L/c ei kumoa (Le Gouët ym. 2007, yhtälöt 9–11);
  • aaltorintaman kaarevuus (vain puhdas defokus): lämpöpilven bias δg = σ_v²/R säteellä, jonka kaarevuussäde on R sekä sen pieneneminen, kun lasketaan vain ilmaisusäteen sisällä olevat atomit (Louchet-Chauvetin ym. 2011 ja Schkolnikin ym. 2015 mukaan); korkeamman asteen poikkeamia ei mallinneta;
  • raitaepäselvyyden ratkaisu: väärän raitaindeksin todennäköisyys erfc(π/(√2·s)) klassisen kiihtyvyysanturin apuna (Lautier ym. 2014) ja kahdella kyselyajalla (Bonninin ym. 2018 mukaan), sekä käänteisfunktio, joka antaa suurimman klassisen kohinan annetulle epäonnistumistodennäköisyydelle.

  Jokainen suljettu muoto tarkistetaan riippumatonta numeerista reittiä vasten (taajuusalueen kvadratuuri tai Monte Carlo atomien tai laukausten yli) ja sen rajatapauksia vasten. Ainoa julkaistu toistettu luku on Cheinetin ym. valkoisen vaihekohinan taso: −111 dB·rad²/Hz, kun τ_R = 20 µs, antaa noin 1 mrad laukausta kohti (0,99 mrad; artikkeli johtaa tason yhtälöllään 17, flicker plus valkoinen). Mikään tästä ei ole minkään laitteen mittaus;

• yhä ei mallinneta: korkeamman asteen aaltorintaman poikkeamat, tietyn lasersysteemin vaihekohina ja kellopuolen ensiperiaatefysiikka;

• kvantti–klassinen-vertailun paketti inertial on yksiakselinen; kolmiakselinen strapdown-polku ajetaan vain tyypeissä gnss-ins ja hybrid-ukf (ks. IMU-huomautus (inertiamittausyksikkö) README-tiedostossa ja VALIDATION.md).

Kvanttifysiikkakerroksen viimeistely (CAI-virhetermien tuominen skenaariotyypistä saataville, korkeamman asteen aaltorintaman poikkeamat ja kellopuolen ensiperiaatefysiikka) on jäljellä oleva P2-työ tiedostossa ROADMAP.md.

Maalaboratorion ja lentoon kelpuutetut luvut#

Parametritaulukot sekoittavat kypsyystasoja; käsittele niitä sen mukaisesti:

Kshanan optisen kellon luvut ovat avaruustavoitteita maalaitteistolla. Lennettyä optista kelloa ei ole; README ja tuloksen alkuperätiedot sanovat sen nimenomaisesti.

Vertailukohta: ACES/PHARAO ISS-avaruusasemalla (toiminnassa huhtikuusta 2025 lähtien)#

ESA:n (Euroopan avaruusjärjestö) ACES/PHARAO-hyötykuorma (ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) — laserjäähdytetty cesiumkello sekä aktiivinen vetymaser, toiminnassa ISS-avaruusasemalla (kansainvälinen avaruusasema) huhtikuusta 2025 lähtien — on nykyinen toiminnassa oleva kiertoradan kellovakauden vertailukohta (tavoitteena suhteellinen vakaus suuruusluokkaa 1e-16 muutaman päivän integroinnin jälkeen). Kshanan optisen kellon malli edustaa kunnianhimoisempaa maalaboratoriotavoitetta kuin ACES-hankkeen lennetty cesium-/maser-suorituskyky; kun Kshanan optisia lukuja verrataan siihen, ”mikä on todella lentänyt”, ACES/PHARAO on rehellinen vertailupiste, ja se on mikroaalto-/maser-järjestelmä, ei optinen hilakello.

ACES-hankkeen tarkat kiertoradan suorituskykyluvut tulee siteerata ESA:n julkaisemista tuloksista niiden julkistamisen jälkeen; tässä on kyse kypsyyserosta, ei tietystä luvusta — Kshanan optiset luvut ovat tavoitteita, eivät lennettyä suorituskykyä.

Katso myös#

• VALIDATION.md — parametrikohtaiset merkinnät validated / not modeled.
• GLOSSARY.md — laatumittarien (FoM) määritelmät ja jokainen lyhenne.
• INTEGRITY.md — mitä eheyden ja turvallisuuden laatumittarit ovat ja mitä ne eivät ole.
• QUANTUM.md — ensiperiaatteista laskeva kylmäatomikiihtyvyysanturi.