Modele czujników kwantowych: co Kshana modeluje, a czego nie

Kshana jest symulatorem odporności PNT (PNT: pozycjonowanie, nawigacja i czas) z modelami parametrów czujników kwantowych. Nie jest symulatorem fizyki kwantowej od pierwszych zasad. Ta strona mówi dokładnie, co to znaczy, aby określenie „kwantowy” nie mogło zostać odebrane jako coś więcej, niż jest.

Co JEST modelowane#

Każdy czujnik kwantowy (i klasyczny) jest modelem błędów sterowanym opublikowanymi parametrami budżetu szumów:

• Zegary — widmowe gęstości mocy (PSD) szumu białego częstotliwości i błądzenia losowego częstotliwości, dolna granica Allana dla szumu typu flicker (1/f) oraz dryf liniowy, pochodzące z kart katalogowych i artykułów: CSAC (chip-scale atomic clock) Microchip SA.45s; optyczny zegar strontowy w sieci optycznej autorstwa Origlia i in. (arXiv:1503,08457), cel nastawiony na przestrzeń kosmiczną; oraz sześć domyślnych klas ClockClass (CSAC; USO, ultra-stable oscillator; DSAC, Deep Space Atomic Clock; TCXO, temperature-compensated crystal oscillator; OCXO, oven-controlled crystal oscillator; RAFS, rubidium atomic frequency standard), z których każda cytuje jedno źródło. Odchylenie Allana, które z nich wynika, jest sprawdzone względem standardowych nachyleń dla typów szumu (zob. VALIDATION.md). Jedna krzywa zegara optycznego jest rzeczywista: zmierzone odchylenie Allana zegara z pincetami optycznymi ⁸⁸Sr autorstwa Norcia i in. (Science 2019) zostaje odtworzone przez dopasowanie szumu, co jest wierszem VALIDATED w VERIFICATION-MATRIX.md; wartości holdover oparte na klasie optycznej pozostają MODELLED.
• Czujniki inercjalne — w pakietach inertial i hybrydowych jednoosiowy (1-DOF, jeden stopień swobody) budżet błędów akcelerometru i żyroskopu: błądzenie losowe prędkości, błądzenie losowe kąta, błądzenie losowe przyspieszenia oraz dolna granica Allana dla niestabilności biasu. Rodzaje gnss-ins i hybrid-ukf zamiast tego uruchamiają trójosiową mechanizację strapdown z src/inertial/ (orientacja w kwaternionach, równania nawigacyjne północ-wschód-dół, deterministyczny model błędów IMU).
• Kwantowe rodzaje scenariuszy — quantum-trade, quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect, quantum-gnss-free-nav i hybrid-ukf — są zbudowane z tych modeli błędów i są MODELLED; quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect i quantum-gnss-free-nav podają także zapis reprezentatywności z lukami do lotu.
• Silnik jest neutralny: „kwantowy” i „klasyczny” to ta sama ścieżka kodu z różnymi współczynnikami. Różnica we wskaźnikach jakości wynika w całości z wejściowych parametrów szumu, z których każdy da się wyśledzić do cytowanego źródła.

Czego NIE modelujemy#

W przypadku czujników zegara i transferu czasu żadna z leżących u podstaw fizyki kwantowej nie jest symulowana, a jedynie wypadkowy wkład Allana, podawany jako współczynnik. Dla akcelerometru na zimnych atomach istnieje już warstwa wywodząca się z pierwszych zasad (zob. niżej); pozostałe efekty systematyczne mają nadal poziom współczynników albo nie są modelowane:

• faza Macha–Zehndera interferometru atomowego (Φ = k_eff·a·T²), kwantowy szum projekcji / szum śrutowy (σ_Φ = 1/(C·√N)), zanik kontrastu interferometru, czas cyklu i funkcja przenoszenia sprzężenia drgań (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), wariancja przy białym PSD σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) są teraz modelowane od pierwszych zasad dla akcelerometru CAI (cold-atom interferometer) (src/inertial/quantum_imu.rs), z wyprowadzeniem białego PSD przyspieszenia q_va, którego używa model klasyczny, wraz z zakresem dynamicznym niejednoznaczności prążków (a_max = π/(k_eff·T²)); zob. QUANTUM.md;

• efekt systematyczny Coriolisa (coriolis_phase / coriolis_accel_bias, sprzężenie krzyżowe 2·v⊥·Ω) oraz efekt systematyczny AC-Stark (AC: alternating-current) / przesunięcia światłem (ac_stark_phase, który znosi się przy symetrycznym odstrojeniu dwufotonowym) są teraz modelowane i objęte testami jednostkowymi w src/inertial/quantum_imu.rs;

• trzy dalsze człony błędu CAI są teraz modelowane jako funkcje biblioteczne w src/inertial/cai_error_terms.rs (0,36; MODELLED; nie są jeszcze dostępne z poziomu rodzaju scenariusza):

  • szum fazy lasera Ramana: ważenie funkcją czułości według Cheinet i in. (2008), równanie 8, ze zwartą postacią dla szumu fazy białego σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (równanie 18 przy jednym cyklu) i drogą numeryczną dla dowolnego widma szumu fazy, a także szum częstotliwości lasera, którego opóźnienie odbicia wstecznego t_d = 2L/c nie znosi (Le Gouët i in. 2007, równania od 9 do 11);
  • krzywizna czoła fali (wyłącznie czysty defokus): bias δg = σ_v²/R chmury termicznej na wiązce o promieniu krzywizny R oraz jego zmniejszenie, gdy zliczane są tylko atomy wewnątrz promienia detekcji (za Louchet-Chauvet i in. 2011 oraz Schkolnik i in. 2015); aberracje wyższego rzędu nie są modelowane;
  • rozwiązywanie niejednoznaczności prążków: prawdopodobieństwo błędnego indeksu prążka, erfc(π/(√2·s)), dla wspomagania akcelerometrem klasycznym (Lautier i in. 2014) oraz dla dwóch czasów interrogacji (za Bonnin i in. 2018), wraz z odwrotnością, która daje największy szum klasyczny dla podanego prawdopodobieństwa niepowodzenia.

  Każda zwarta postać jest sprawdzana względem niezależnej drogi numerycznej (kwadratura w dziedzinie częstotliwości lub Monte Carlo po atomach albo strzałach) i jej przypadków granicznych. Jedyną odtworzoną opublikowaną liczbą jest poziom szumu fazy białego z pracy Cheinet i in.: −111 dB·rad²/Hz przy τ_R = 20 µs daje około 1 mrad na strzał (0,99 mrad; praca wyprowadza ten poziom z własnego równania 17, flicker plus biały). Nic z tego nie jest pomiarem żadnego przyrządu;

• nadal nie są modelowane: aberracje czoła fali wyższego rzędu, szum fazy konkretnego układu laserowego oraz fizyka od pierwszych zasad po stronie zegara;

• pakiet inertial porównujący rozwiązania kwantowe z klasycznymi jest jednoosiowy; trójosiowa ścieżka strapdown działa wyłącznie w gnss-ins i hybrid-ukf (zob. uwaga o IMU, czyli jednostce pomiarów inercjalnych, w README oraz VALIDATION.md).

Dokończenie warstwy fizyki kwantowej (udostępnienie członów błędu CAI z poziomu rodzaju scenariusza, aberracje czoła fali wyższego rzędu i fizyka od pierwszych zasad po stronie zegara) to pozostała praca P2 w ROADMAP.md.

Wartości z laboratorium naziemnego a wartości kwalifikowane do lotu#

Tabele parametrów łączą różne poziomy dojrzałości; należy je tak traktować:

Wartości dla zegarów optycznych w Kshana są celami kosmicznymi osiągniętymi na sprzęcie naziemnym. Żaden zegar optyczny nie latał w kosmosie; README i pochodzenie wyniku mówią o tym wprost.

Wzorzec porównawczy: ACES/PHARAO na ISS (działa od kwietnia 2025)#

Ładunek ACES/PHARAO ESA (European Space Agency) (ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) — zegar cezowy chłodzony laserowo plus aktywny maser wodorowy, działający na ISS (International Space Station) od kwietnia 2025 — jest obecnym działającym wzorcem porównawczym stabilności zegara na orbicie (docelowa stabilność względna rzędu 1e-16 po kilku dniach całkowania). Model zegara optycznego w Kshana odpowiada bardziej ambitnemu celowi laboratoryjnemu niż parametry cezowego zegara i masera ACES uzyskane w locie; przy porównywaniu liczb optycznych Kshana z tym, „co faktycznie poleciało”, rzetelnym punktem odniesienia jest ACES/PHARAO, a jest to układ mikrofalowy z maserem, nie zegar na sieci optycznej.

Dokładne wartości parametrów ACES na orbicie należy cytować z opublikowanych wyników ESA w miarę ich ogłaszania; chodzi tu o lukę dojrzałości, a nie o konkretną liczbę — wartości optyczne Kshana są celami, a nie parametrami uzyskanymi w locie.

Zobacz też#

• VALIDATION.md — etykiety validated / not modeled dla poszczególnych parametrów.
• GLOSSARY.md — definicje wskaźników jakości (FoM) i każdy skrót.
• INTEGRITY.md — czym są i czym nie są wskaźniki jakości integralności i bezpieczeństwa.
• QUANTUM.md — akcelerometr na zimnych atomach oparty na pierwszych zasadach.