Physique des capteurs inertiels quantiques (interféromètre à atomes froids)

L'essentiel de Kshana pilote ses capteurs quantiques à partir de coefficients d'Allan/de bruit publiés — des valeurs relevées sur fiche technique (voir QUANTUM-MODELS.md et PROVENANCE.md). Ce document couvre le seul endroit où le moteur calcule au contraire la performance du capteur à partir des premiers principes : le modèle d'accéléromètre à interféromètre à atomes froids (CAI) de src/inertial/quantum_imu.rs.

C'est délibérément une couche de physique minimale et honnête — le plancher de bruit de projection quantique et le facteur d'échelle de l'interféromètre — et non un simulateur d'instrument complet. Les sections ci-dessous énoncent exactement ce qui est et n'est pas modélisé.

Ce qui est modélisé#

Un interféromètre atomique de Mach–Zehnder à trois impulsions (π/2–π–π/2) (Kasevich & Chu 1991 ; Peters, Chung & Chu 2001), la géométrie standard d'un accéléromètre à atomes froids :

Le bouclage est l'essentiel : CaiAccelerometer::q_va() produit exactement la DSP d'accélération blanche que le reste de la pile inertielle intègre déjà en erreur de vitesse/de position — de sorte que le bruit d'un capteur quantique peut être rattaché à son nombre d'atomes, à son temps d'interrogation et à son contraste plutôt qu'à une ligne de fiche technique.

Un chiffre résolu (Rb-87, T = 10 ms, N = 10⁶, C = 0.5, T_c = 0.5 s) : Φ(1 g) ≈ 1.58×10⁴ rad, σ_Φ = 2×10⁻³ rad, σ_a ≈ 1.24×10⁻⁶ m/s² (≈ 0,13 µg) par tir, et un plancher de bruit de grenaille n_a ≈ 0.09 µg/√Hz. Avec une DSP de vibration de plateforme modeste S_a = 10⁻¹⁰ (m/s²)²/Hz, le plancher par tir limité par les vibrations est σ_a ≈ 5.8×10⁻⁵ m/s² (≈ 5,9 µg) — environ 46× le plancher de bruit de grenaille, ce qui montre pourquoi les dispositifs réels sont limités par les vibrations, et non par la projection. Le même interféromètre ne lit la force spécifique sans ambiguïté qu'à l'intérieur de a_max ≈ 1.95×10⁻³ m/s² (≈ 199 µg), soit environ 1 571 cellules de résolution : Φ(1 g) représente des milliers de franges, de sorte qu'une lecture unique de 1 g est repliée.

Ce qui N'EST PAS modélisé (et pourquoi le plancher est optimiste)#

Le plancher de bruit de grenaille ci-dessus est une borne inférieure fondamentale. Les instruments CAI réels se situent au-dessus : un gravimètre de laboratoire statique (Freier et al. 2016, 96 nm/s²/√Hz) environ 60× au-dessus du plancher calculé pour ses paramètres, et une triade d'accéléromètres déployée bien plus loin (le dispositif d'Exail cité dans scenarios/imu-deadreckoning.toml annonce 22 µg/√Hz). Le terme dominant — le couplage aux vibrations — et les deux principales systématiques déterministes — la rotation de Coriolis et le déplacement lumineux d'effet Stark alternatif — sont modélisés (les lignes ci-dessus de la fonction de transfert, de Coriolis et du déplacement lumineux), de même que la plage dynamique d'ambiguïté de frange (max_unambiguous_accel, wrap_phase, accel_from_wrapped_phase, dynamic_range_cells). L'écart restant est ce que cette couche n'inclut toujours pas :

• Les aberrations de front d'onde et les systématiques de pointage de faisceau d'ordre supérieur — non modélisées.
• Résolution de l'ambiguïté de frange — le modèle énonce la plage non ambiguë et renvoie la phase repliée ; il ne déplie pas une lecture située en dehors de ±a_max (par exemple avec un accéléromètre classique ou plusieurs temps d'interrogation), et il borne la plage pour une frange idéale à trois impulsions, sans termes de front d'onde ni de perte de contraste.

Correspondance avec la littérature : Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems §12,5 (technologie quantique ; GNSS : système mondial de navigation par satellite) ; Cheinet et al., IEEE Trans. Instrum. Meas. 57 (2008) pour la sensibilité et la fonction de transfert de l'interféromètre (IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers) ; Freier et al., J. Phys.: Conf. Ser. 723 (2016) pour le budget d'erreur du gravimètre mobile ; CARIOQA-PMP (Cold Atom Rubidium Interferometer in Orbit for Quantum Accelerometry – Pathfinder Mission Preparation) pour le régime de paramètres de l'accéléromètre spatial.

État#

Il s'agit de l'élément couche de physique quantique P2 de ROADMAP.md : la phase de Mach–Zehnder, le bruit de projection, le facteur d'échelle, le q_va dérivé, la décroissance du contraste, et la fonction de transfert de couplage aux vibrations / la variance de DSP blanche sont implémentés et testés unitairement par rapport à un calcul manuel (y compris un recoupement numérique par intégrale de bande de la fonction de transfert avec son résultat analytique en T³).

Le modèle est aussi câblé dans des scénarios exécutables : un accéléromètre se résout en ImuKind::QuantumCai lorsqu'il porte une table cai — [accel_quantum.cai] ou [accel_classical.cai] dans un scénario inertial, [accel.cai] dans un scénario hybrid-ukf (scenarios/hybrid-ukf.toml en fournit un, et le préréglage fourni scenarios/quantum-cai-coast.toml oppose un CAI défini par la physique à un accéléromètre à quartz de classe navigation lors d'une interruption du GNSS) — avec les champs wavelength_m, pulse_sep_t (T), atom_number (N), contrast (C), cycle_time_s (T_c) et une vibration_psd de plateforme facultative. Sa DSP de marche aléatoire de vitesse q_va est alors dérivée de la physique de l'interféromètre — le plancher de bruit de grenaille plus, lorsqu'une DSP de vibration est donnée, la contribution limitée par les vibrations en quadrature — plutôt que fournie comme coefficient de fiche technique. Les scénarios sans bloc [cai] sont classiques et inchangés octet pour octet.

Les systématiques de Coriolis (coriolis_phase / coriolis_accel_bias) et de déplacement lumineux d'effet Stark alternatif (ac_stark_phase) sont implémentées et testées unitairement (le biais équivalent de Coriolis est vérifié par rapport au terme classique 2·Ω×v ; la phase d'effet Stark alternatif par rapport à son annulation symétrique). Un balayage de dérive en fonction du temps de cycle (cai_drift_sweep) rapporte la dérive de position à l'estime du CAI quantique en fonction du temps de cycle — le cœur de calcul d'une comparaison quantique-classique. Le type de scénario quantum-gnss-free-nav réutilise le même accéléromètre par QuantumNavBudget, et src/inertial/cai_params.rs porte une fiche de paramètres encadrée (meilleur, nominal, prudent) avec une citation par chiffre.

Ce que montrent les vérifications externes. tests/quantum_inertial_sensor_reference.rs vérifie la fonction de transfert par rapport à une intégrale numérique dans le domaine temporel de la fonction de sensibilité de Cheinet, k_eff par rapport à des longueurs d'onde de raies publiées, et le biais de Coriolis par rapport à |2Ω×v| — des concordances exactes avec les formes publiées. Le plancher de bruit de grenaille est un encadrement unilatéral : pour les paramètres publiés du gravimètre au césium de Peters et al. 2001 et du gravimètre au rubidium GAIN de Freier et al. 2016 (arXiv:1512,05660), le plancher modélisé se situe au niveau du bruit atteint par chaque dispositif ou en dessous, et à moins de trois ordres de grandeur de celui-ci (pour GAIN, le plancher est de 1,53×10⁻⁹ m/s²/√Hz contre 9,6×10⁻⁸ atteints, un facteur d'environ 63). Cela est cohérent avec des dispositifs réels limités par les vibrations ou par la technique, mais c'est un encadrement, non une validation d'un modèle de bruit d'instrument, de sorte que la ligne de la matrice reste MODELLED.

Les suites restantes sont les systématiques de front d'onde et de pointage de faisceau, la résolution de l'ambiguïté de frange, une reproduction numériquement exacte des budgets Monte Carlo de CARIOQA-PMP et des budgets d'essais en vol sans GPS (GPS : Global Positioning System) de Boeing/AOSense (qui exigent les DSP de plateforme publiées et le SNR par tir, le rapport signal sur bruit), et un préréglage de comparaison quantique-classique dans le bac à sable du navigateur, au-dessus de cai_drift_sweep.