Modeller for kvantesensorer: hva Kshana modellerer, og hva den ikke gjør

Kshana er en simulator for robusthet i PNT (PNT: posisjonering, navigasjon og tidssynkronisering) med ytelsesmodeller for kvantesensorer. Den er ikke en simulator for kvantefysikk fra første prinsipper. Denne siden sier nøyaktig hva det betyr, slik at «kvante»-rammen ikke kan misforstås som mer enn den er.

Hva som ER modellert#

Hver kvantesensor (og klassiske sensor) er en feilmodell drevet av publiserte parametere for støybudsjett:

• Klokker – PSD-er (effekttetthetsspektre) for hvit frekvens og tilfeldig gange i frekvens, et flicker-gulv (1/f) i Allan-deviasjonen og lineær drift, hentet fra databladene og artikler: CSAC (chip-scale atomic clock) Microchip SA.45s; den optiske gitterklokken med strontium til Origlia et al. (arXiv:1503,08457), et mål for bruk i rommet; og de seks standardene i ClockClass (CSAC; USO, ultrastabil oscillator; DSAC, Deep Space Atomic Clock; TCXO, temperaturkompensert krystalloscillator; OCXO, ovnsstyrt krystalloscillator; RAFS, rubidium-atomfrekvensstandard), hver med én sitert kilde. Allan-deviasjonen disse gir er validert mot standardhelningene for støytyper (se VALIDATION.md). Én kurve for optiske klokker er reell: den målte Allan-deviasjonen til ⁸⁸Sr-pinsettklokken til Norcia et al. (Science 2019) gjenskapes av støytilpasningen, en VALIDATED-rad i VERIFICATION-MATRIX.md; holdover-tallene bygget på den optiske klassen forblir MODELLED.
• Treghetssensorer – i pakkene inertial og hybrid et enakset (1-DOF, én frihetsgrad) feilbudsjett for akselerometer/gyro: hastighetens tilfeldige gange, vinkelens tilfeldige gange, akselerasjonens tilfeldige gange og et Allan-gulv for biasustabilitet. Typene gnss-ins og hybrid-ukf kjører i stedet den treakse strapdown-mekaniseringen i src/inertial/ (kvaternionbasert orientering, navigasjonsligninger i nord–øst–ned, en deterministisk IMU-feilmodell).
• Kvantescenariotypene – quantum-trade, quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect, quantum-gnss-free-nav og hybrid-ukf – er bygget av disse feilmodellene og er MODELLED; quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect og quantum-gnss-free-nav rapporterer også en representativitetsregistrering med hullene til flyging.
• Motoren er nøytral: «kvante» og «klassisk» er den samme kodebanen med ulike koeffisienter. Kontrasten i kvalitetsmålene kommer helt og holdent fra inndataparametrene for støy, hver av dem sporbar til en sitert kilde.

Hva som IKKE er modellert#

For klokke- og tidsoverføringssensorene simuleres ingenting av den underliggende kvantefysikken – bare det netto Allan-bidraget, oppgitt som en koeffisient. For kaldatom-akselerometeret finnes nå et lag fra første prinsipper (se nedenfor); de gjenstående systematiske effektene er fortsatt på koeffisientnivå eller ikke modellert:

• atominterferometerets Mach–Zehnder-fase (Φ = k_eff·a·T²), kvanteprojeksjons- / skuddstøy (σ_Φ = 1/(C·√N)), avtak av interferometerets kontrast, syklustid og overføringsfunksjonen for vibrasjonskobling (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), varians for hvit PSD σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) er nå modellert fra første prinsipper for CAI-akselerometeret (cold-atom interferometer) (src/inertial/quantum_imu.rs), som utleder PSD-en for hvit akselerasjon q_va den klassiske modellen bruker, sammen med det dynamiske området for fringe-flertydighet (a_max = π/(k_eff·T²)) – se QUANTUM.md;

• den Coriolis-systematiske effekten (coriolis_phase / coriolis_accel_bias, 2·v⊥·Ω-tverrkoblingen) og den AC-Stark-systematiske effekten (AC: vekselstrøm) / lysforskyvningen (ac_stark_phase, som opphever seg under en symmetrisk tofoton-avstemming) er nå modellert og enhetstestet i src/inertial/quantum_imu.rs;

• tre ytterligere CAI-feilledd er nå modellert som bibliotekfunksjoner i src/inertial/cai_error_terms.rs (0,36; MODELLED; ikke ennå tilgjengelige fra en scenariotype):

  • Fasestøy fra Raman-laser: vektingen med følsomhetsfunksjonen til Cheinet et al. (2008), ligning 8, med lukket form for hvit fasestøy σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (ligning 18 ved én syklus) og en numerisk vei for et hvilket som helst fasestøyspektrum, pluss laserens frekvensstøy som retrorefleksjonsforsinkelsen t_d = 2L/c ikke opphever (Le Gouët et al. 2007, ligningene 9 til 11);
  • bølgefrontkurvatur (bare ren uskarphet): biasen δg = σ_v²/R til en termisk sky på en stråle med krumningsradius R, og dens reduksjon når bare atomer innenfor en deteksjonsradius telles (etter Louchet-Chauvet et al. 2011 og Schkolnik et al. 2015); aberrasjoner av høyere orden er ikke modellert;
  • løsning av fringe-flertydighet: sannsynligheten for en feil fringe-indeks, erfc(π/(√2·s)), for støtte fra et klassisk akselerometer (Lautier et al. 2014) og for to avhørstider (etter Bonnin et al. 2018), med inversen som gir den største klassiske støyen for en oppgitt sannsynlighet for feil.

  Hvert lukkede uttrykk er kontrollert mot en uavhengig numerisk vei (kvadratur i frekvensdomenet, eller en Monte Carlo over atomer eller skudd) og mot grensetilfellene sine. Det ene publiserte tallet som gjenskapes er nivået for hvit fasestøy hos Cheinet et al.: −111 dB·rad²/Hz ved τ_R = 20 µs gir omtrent 1 mrad per skudd (0,99 mrad; artikkelen utleder dette nivået med sin ligning 17, flicker pluss hvit). Ingenting av dette er en måling av noe instrument;

• fortsatt ikke modellert: bølgefrontaberrasjoner av høyere orden, fasestøyen til et bestemt lasersystem og fysikk fra første prinsipper på klokkesiden;

• inertial-pakken for kvante mot klassisk er enakset; treakse-strapdown-banen kjører bare i gnss-ins og hybrid-ukf (se merknaden om IMU, treghetsmåleenhet, i README og VALIDATION.md).

Å fullføre kvantefysikklaget (å gjøre CAI-feilleddene tilgjengelige fra en scenariotype, bølgefrontaberrasjoner av høyere orden og fysikk fra første prinsipper på klokkesiden) er det gjenstående P2-arbeidet i ROADMAP.md.

Tall fra bakkelab mot flygekvalifiserte tall#

Parametertabeller blander modenhetsnivåer; behandle dem deretter:

Tall for optiske klokker i Kshana er romfartsmål på bakkemaskinvare. Ingen optisk klokke har fløyet; README og resultatets proveniens sier det eksplisitt.

Referanse: ACES/PHARAO på ISS (i drift siden april 2025)#

Nyttelasten ACES/PHARAO fra ESA (European Space Agency) (ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) – en laserkjølt cesiumklokke pluss en aktiv hydrogenmaser, i drift på ISS (International Space Station) siden april 2025 – er den nåværende operative referansen for klokkestabilitet i bane (målt relativ stabilitet i størrelsesorden 1e-16 etter noen døgns integrasjon). Kshanas modell for optiske klokker representerer et mer ambisiøst mål for bakkelab enn ytelsen til ACES' fløyne cesium/maser; når Kshanas optiske tall sammenlignes med «det som faktisk har fløyet», er ACES/PHARAO det ærlige referansepunktet, og det er et mikrobølge-/masersystem, ikke en optisk gitterklokke.

De nøyaktige ytelsestallene for ACES i bane bør siteres fra ESAs publiserte resultater etter hvert som de frigis; poenget her er modenhetsgapet, ikke et bestemt tall – Kshanas optiske tall er mål, ikke ytelse i flyging.

Se også#

• VALIDATION.md – merkelappene validated / not modeled per parameter.
• GLOSSARY.md – definisjoner av kvalitetsmål (FoM) og hver forkortelse.
• INTEGRITY.md – hva kvalitetsmålene for integritet og sikkerhet er og ikke er.
• QUANTUM.md – kaldatom-akselerometeret fra første prinsipper.