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. Não é um simulador de física quântica a partir de princípios fundamentais. Esta página explica exatamente o que isso significa, para que o enquadramento "quântico" não possa ser tomado por mais do que é.

O que É modelado#

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

• Relógios — PSD (densidades espetrais de potência) de frequência branca e de frequência de passeio aleatório, um patamar de Allan de flicker (1/f) e deriva linear, a partir de folhas de especificações e artigos: o CSAC (relógio atómico à escala de chip) Microchip SA.45s; o relógio ótico de rede de estrôncio de Origlia et al. (arXiv:1503,08457), um objetivo orientado para o espaço; e as seis predefinições de ClockClass (CSAC; USO, oscilador ultraestável; DSAC, Deep Space Atomic Clock; TCXO, oscilador de cristal compensado em temperatura; OCXO, oscilador de cristal com forno; RAFS, padrão de frequência atómico de rubídio), cada uma citando uma fonte. O desvio de Allan que estas produzem é validado face às inclinações padrão dos tipos de ruído (consulte VALIDATION.md). Uma curva de relógio ótico 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; os valores de holdover construídos sobre a classe ótica continuam MODELLED.
• Sensores inerciais — nos pacotes inertial e híbrido, um orçamento de erro de acelerómetro/giroscópio de eixo único (1-DOF, um grau de liberdade): passeio aleatório de velocidade, passeio aleatório angular, passeio aleatório de aceleração e um patamar de Allan de instabilidade do enviesamento. Os tipos gnss-ins e hybrid-ukf executam, em vez disso, a mecanização strapdown de três eixos em src/inertial/ (atitude por quaterniões, equações de navegação norte-este-baixo, um modelo determinista de erros da 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 destes modelos de erro e são MODELLED; quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect e quantum-gnss-free-nav comunicam também um registo de representatividade com as lacunas até ao voo.
• O motor é neutro: "quântico" e "clássico" são o mesmo percurso 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, nada da física quântica subjacente é simulado — apenas a contribuição líquida de Allan, fornecida como coeficiente. Para o acelerómetro de átomos frios existe agora uma camada de princípios fundamentais (consulte abaixo); os restantes efeitos sistemáticos continuam ao nível de coeficientes ou não modelados:

• a fase de Mach–Zehnder do interferómetro atómico (Φ = k_eff·a·T²), o ruído de projeção quântica / de disparo (σ_Φ = 1/(C·√N)), o decaimento do contraste do interferómetro, o tempo de ciclo e a função de transferência do acoplamento de vibração (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), variância de PSD branca σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) são agora modelados a partir de princípios fundamentais para o acelerómetro CAI (interferómetro de átomos frios) (src/inertial/quantum_imu.rs), derivando a PSD de aceleração branca q_va que o modelo clássico consome, em conjunto com a gama dinâmica de ambiguidade de franjas (a_max = π/(k_eff·T²)) — consulte 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) / desvio de luz (ac_stark_phase, que se anula sob uma dessintonia de dois fotões simétrica) são agora modelados e testados unitariamente em src/inertial/quantum_imu.rs;

• três outros termos de erro do CAI são agora modelados como funções de 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 de ruído de fase branco σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (Eq. 18 a um ciclo) e uma via numérica para qualquer espetro 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 enviesamento δg = σ_v²/R de uma nuvem térmica num feixe de raio de curvatura R, e a sua redução quando só se contam os átomos dentro de um raio de deteção (segundo Louchet-Chauvet et al. 2011 e Schkolnik et al. 2015); as aberrações de ordem superior não são modeladas;
  • resolução da ambiguidade de franjas: a probabilidade de um índice de franja errado, erfc(π/(√2·s)), para um auxiliar de acelerómetro clássico (Lautier et al. 2014) e para dois tempos de interrogação (segundo Bonnin et al. 2018), com o inverso que dá o maior ruído clássico para uma probabilidade de falha indicada.

  Cada forma fechada é verificada face 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 valor publicado reproduzido é o nível de ruído de fase branco de Cheinet et al.: −111 dB·rad²/Hz com τ_R = 20 µs dá cerca de 1 mrad por disparo (0,99 mrad; o artigo deriva esse nível com a sua Eq. 17, flicker mais branco). Nada disto é uma medição de qualquer instrumento;

• continuam a não ser modeladas: as aberrações da frente de onda de ordem superior, o ruído de fase de um sistema laser específico e a física de princípios fundamentais do lado do relógio;

• o pacote inertial de quântico versus clássico é de eixo único; o percurso strapdown de três eixos só é executado em gnss-ins e hybrid-ukf (consulte 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 do CAI a partir de um tipo de cenário, as aberrações da frente de onda de ordem superior e a física de princípios fundamentais do lado do relógio) é o trabalho P2 restante em ROADMAP.md.

Valores de laboratório de solo versus qualificados para voo#

As tabelas de parâmetros misturam níveis de maturidade; trate-as em função disso:

Os valores de relógios óticos no Kshana são objetivos espaciais em hardware de solo. Não existe nenhum relógio ótico que tenha voado; o README e a proveniência do resultado dizem-no explicitamente.

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

A carga útil ACES/PHARAO da ESA (European Space Agency) (ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) — um relógio de césio arrefecido por laser mais um maser de hidrogénio ativo, em operação na ISS (International Space Station) desde abril de 2025 — é a atual referência operacional de estabilidade de relógio em órbita (estabilidade fracionária alvo da ordem de 1e-16 após alguns dias de integração). O modelo de relógio ótico do Kshana representa um objetivo de laboratório de solo mais ambicioso do que o desempenho de césio/maser que o ACES voou; ao comparar os números óticos do Kshana com "o que realmente voou", o ACES/PHARAO é o ponto de referência honesto, e é um sistema de micro-ondas/maser, não um relógio de rede ótica.

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 lacuna de maturidade, não um número específico — os valores óticos do Kshana são objetivos, não desempenho em voo.

Ver também#

• VALIDATION.md — rótulos validated / not modeled por parâmetro.
• GLOSSARY.md — definições de figuras de mérito (FoM) e todas as abreviaturas.
• INTEGRITY.md — o que as FoM de Integridade e de Segurança são e não são.
• QUANTUM.md — o acelerómetro de átomos frios a partir de princípios fundamentais.