Modelos de sensores quânticos: o que o Kshana modela e o que não modela

O Kshana é um simulador de resiliência de PNT (PNT: posicionamento, navegação e temporização) com modelos de desempenho de sensores quânticos. Ele não é um simulador de física quântica a partir de primeiros princípios. Esta página declara exatamente o que isso significa, para que o enquadramento "quântico" não seja tomado por mais do que é.

O que É modelado#

Cada sensor quântico (e clássico) é um modelo de erro dirigido por parâmetros publicados de orçamento de ruído:

• Relógios — PSDs (densidades espectrais de potência) de frequência branca e de passeio aleatório de frequência, um piso de Allan flicker (1/f) e deriva linear, obtidos de folhas de dados e artigos: o CSAC (relógio atômico em escala de chip) Microchip SA.45s; o relógio óptico de rede de estrôncio de Origlia et al. (arXiv:1503,08457), uma meta voltada ao espaço; e os seis padrões de ClockClass (CSAC; USO, oscilador ultraestável; DSAC, Deep Space Atomic Clock; TCXO, oscilador de cristal com compensação de temperatura; OCXO, oscilador de cristal em forno; RAFS, padrão de frequência atômico de rubídio), cada um citando uma fonte. O desvio de Allan que eles produzem é validado em relação às inclinações padrão por tipo de ruído (consulte VALIDATION.md). Uma curva de relógio óptico é real: o desvio de Allan medido do relógio de pinças de ⁸⁸Sr de Norcia et al. (Science 2019) é reproduzido pelo ajuste de ruído, uma linha VALIDATED em VERIFICATION-MATRIX.md; as figuras de holdover construídas sobre a classe óptica continuam MODELLED.
• Sensores inerciais — nos pacotes inertial e híbridos, um orçamento de erro de acelerômetro/giroscópio de eixo único (1-DOF, um grau de liberdade): passeio aleatório de velocidade, passeio aleatório angular, passeio aleatório de aceleração e um piso de Allan de instabilidade de viés. Os tipos de cenário gnss-ins e hybrid-ukf, em vez disso, executam a mecanização strapdown de três eixos em src/inertial/ (atitude por quatérnions, equações de navegação norte-leste-baixo, um modelo determinístico de erros de IMU).
• Os tipos de cenário quânticos — quantum-trade, quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect, quantum-gnss-free-nav e hybrid-ukf — são construídos a partir desses modelos de erro e são MODELLED; quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect e quantum-gnss-free-nav também relatam um registro de representatividade com as lacunas até o voo.
• O motor é neutro: "quântico" e "clássico" são o mesmo caminho de código com coeficientes diferentes. O contraste nas figuras de mérito vem inteiramente dos parâmetros de ruído de entrada, cada um rastreável até uma fonte citada.

O que NÃO é modelado#

Para os sensores de relógio e de transferência de tempo, nenhuma da física quântica subjacente é simulada — apenas a contribuição líquida de Allan, fornecida como um coeficiente. Para o acelerômetro de átomos frios agora existe uma camada de primeiros princípios (veja abaixo); os demais efeitos sistemáticos continuam no nível de coeficiente ou não modelados:

• a fase de Mach–Zehnder do interferômetro atômico (Φ = k_eff·a·T²), o ruído de projeção quântica / de disparo (σ_Φ = 1/(C·√N)), o decaimento do contraste do interferômetro, o tempo de ciclo e a função de transferência de acoplamento de vibração (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), variância de PSD branca σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) agora são modelados a partir de primeiros princípios para o acelerômetro CAI (interferômetro de átomos frios) (src/inertial/quantum_imu.rs), derivando a PSD de aceleração branca q_va que o modelo clássico consome, junto com a faixa dinâmica de ambiguidade de franjas (a_max = π/(k_eff·T²)) — veja QUANTUM.md;

• o efeito sistemático de Coriolis (coriolis_phase / coriolis_accel_bias, o acoplamento cruzado 2·v⊥·Ω) e o efeito sistemático de AC-Stark (AC: corrente alternada) / deslocamento de luz (ac_stark_phase, que se cancela sob uma dessintonia simétrica de dois fótons) agora são modelados e testados unitariamente em src/inertial/quantum_imu.rs;

• mais três termos de erro de CAI agora estão modelados como funções da biblioteca em src/inertial/cai_error_terms.rs (0,36; MODELLED; ainda não acessíveis a partir de um tipo de cenário):

  • ruído de fase do laser Raman: a ponderação pela função de sensibilidade de Cheinet et al. (2008), Eq. 8, com a forma fechada para ruído de fase branco σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (Eq. 18 com um ciclo) e uma via numérica para qualquer espectro de ruído de fase, mais o ruído de frequência do laser que o atraso de retrorreflexão t_d = 2L/c não cancela (Le Gouët et al. 2007, Eqs. 9 a 11);
  • curvatura da frente de onda (apenas desfocagem pura): o viés δg = σ_v²/R de uma nuvem térmica em um feixe com raio de curvatura R, e sua redução quando apenas os átomos dentro de um raio de detecção são contados (segundo Louchet-Chauvet et al. 2011 e Schkolnik et al. 2015); aberrações de ordem superior não são modeladas;
  • resolução de ambiguidade de franja: a probabilidade de um índice de franja errado, erfc(π/(√2·s)), para o auxílio de um acelerômetro clássico (Lautier et al. 2014) e para dois tempos de interrogação (segundo Bonnin et al. 2018), com a inversa que fornece o maior ruído clássico para uma probabilidade de falha declarada.

  Cada forma fechada é verificada em relação a uma via numérica independente (quadratura no domínio da frequência, ou um Monte Carlo sobre átomos ou disparos) e aos seus casos-limite. O único número publicado reproduzido é o nível de ruído de fase branco de Cheinet et al.: −111 dB·rad²/Hz com τ_R = 20 µs resulta em cerca de 1 mrad por disparo (0,99 mrad; o artigo deriva esse nível com sua Eq. 17, flicker mais branco). Nada disso é uma medição de qualquer instrumento;

• ainda não modelados: aberrações de frente de onda de ordem superior, o ruído de fase de um sistema laser específico e a física de primeiros princípios do lado do relógio;

• o pacote inertial quântico versus clássico é de eixo único; o caminho strapdown de três eixos roda apenas em gnss-ins e hybrid-ukf (veja a nota sobre a IMU, unidade de medição inercial, no README e VALIDATION.md).

Concluir a camada de física quântica (alcançar os termos de erro de CAI a partir de um tipo de cenário, aberrações de frente de onda de ordem superior e física de primeiros princípios do lado do relógio) é o trabalho P2 restante em ROADMAP.md.

Valores de laboratório em solo versus qualificados para voo#

As tabelas de parâmetros misturam níveis de maturidade; trate-as de acordo:

Os valores de relógio óptico no Kshana são metas espaciais em hardware de solo. Não existe relógio óptico que tenha voado; o README e a proveniência dos resultados dizem isso explicitamente.

Benchmark: ACES/PHARAO na ISS (em operação desde abril de 2025)#

A carga útil ACES/PHARAO da ESA (Agência Espacial Europeia; ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) — um relógio de césio resfriado a laser mais um maser de hidrogênio ativo, em operação na ISS (Estação Espacial Internacional) desde abril de 2025 — é o atual benchmark operacional de estabilidade de relógio em órbita (estabilidade fracionária alvo da ordem de 1e-16 após alguns dias de integração). O modelo de relógio óptico do Kshana representa uma meta de laboratório em solo mais agressiva do que o desempenho de césio/maser que o ACES de fato levou ao espaço; ao comparar os números ópticos do Kshana com "o que de fato voou", o ACES/PHARAO é o ponto de referência honesto, e é um sistema de micro-ondas/maser, não um relógio de rede óptica.

Os valores exatos de desempenho do ACES em órbita devem ser citados a partir dos resultados publicados pela ESA à medida que forem divulgados; o ponto aqui é a defasagem de maturidade, não um número específico — os valores ópticos do Kshana são metas, não desempenho de voo.

Veja também#

• VALIDATION.md — rótulos validated / not modeled por parâmetro.
• GLOSSARY.md — definições das figuras de mérito (FoM) e de todas as abreviações.
• INTEGRITY.md — o que as FoMs de integridade e de segurança são e não são.
• QUANTUM.md — o acelerômetro de átomos frios de primeiros princípios.