Modeller av kvantsensorer: vad Kshana modellerar och vad den inte modellerar

Kshana är en simulator för PNT-resiliens (PNT: positionering, navigering och tidssynkronisering) med prestandamodeller för kvantsensorer. Den är inte en simulator av kvantfysik från grundprinciper. Den här sidan anger exakt vad det innebär, så att ramen "kvant" inte kan misstas för mer än den är.

Vad som modelleras#

Varje kvantsensor (och klassisk sensor) är en felmodell som drivs av publicerade parametrar för brusbudget:

• Klockor — PSD:er (effektspektraltätheter) för vitfrekvens och slumpvandring i frekvens, ett Allan-golv för flicker (1/f) och linjär drift, hämtade ur datablad och artiklar: CSAC (atomklocka i chipformat) Microchip SA.45s; strontium-klockan med optiskt gitter av Origlia m.fl. (arXiv:1503,08457), ett rymdinriktat mål; och de sex standardvärdena i ClockClass (CSAC; USO, ultrastabil oscillator; DSAC, Deep Space Atomic Clock; TCXO, temperaturkompenserad kristalloscillator; OCXO, ugnsstyrd kristalloscillator; RAFS, atomfrekvensstandard med rubidium), var och en med en källa. Allan-deviationen som de ger valideras mot standardlutningarna för brustyperna (se VALIDATION.md). En kurva för optisk klocka är verklig: den uppmätta Allan-deviationen för ⁸⁸Sr-pincettklockan av Norcia m.fl. (Science 2019) återges av brusanpassningen, en rad med VALIDATED i VERIFICATION-MATRIX.md; holdover-värdena som bygger på den optiska klassen förblir MODELLED.
• Tröghetssensorer — i inertial och de hybrida paketen en enaxlig (1-DOF, en frihetsgrad) felbudget för accelerometer/gyro: slumpvandring i hastighet, slumpvandring i vinkel, slumpvandring i acceleration och ett Allan-golv för biasinstabilitet. Typerna gnss-ins och hybrid-ukf kör i stället den treaxliga strapdown-mekaniseringen i src/inertial/ (kvaternionbaserad attityd, navigeringsekvationer i nord-öst-ned, en deterministisk felmodell för IMU).
• Kvantscenariotyperna — quantum-trade, quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect, quantum-gnss-free-nav och hybrid-ukf — är byggda av dessa felmodeller och är MODELLED; quantum-time-transfer, quantum-anomaly-detect och quantum-gnss-free-nav redovisar dessutom en representativitetspost med luckorna till flygning.
• Motorn är neutral: "kvant" och "klassisk" är samma kodväg med olika koefficienter. Kontrasten i kvalitetsmåtten kommer helt från de brusparametrar som läggs in, var och en spårbar till en citerad källa.

Vad som INTE modelleras#

För klock- och tidsöverföringssensorerna simuleras ingen av den underliggande kvantfysiken — bara det nettobidrag till Allan som anges som en koefficient. För kallatomsaccelerometern finns nu ett lager från grundprinciper (se nedan); de återstående systematiska effekterna ligger fortfarande på koefficientnivå eller är omodellerade:

• atominterferometerns Mach–Zehnder-fas (Φ = k_eff·a·T²), kvantprojektions-/skottbrus (σ_Φ = 1/(C·√N)), avtagande interferometerkontrast, cykeltid och överföringsfunktionen för vibrationskoppling (|H(ω)| = (4/ω²)sin²(ωT/2), varians för vit PSD σ_Φ² = k_eff²·S_a·T³/3) modelleras nu från grundprinciper för CAI-accelerometern (kallatomsinterferometer) (src/inertial/quantum_imu.rs), där den vita acceleration-PSD:n q_va som den klassiska modellen använder härleds, tillsammans med dynamiskt omfång för fransosäkerhet (a_max = π/(k_eff·T²)) — se QUANTUM.md;

• den systematiska effekten Coriolis (coriolis_phase / coriolis_accel_bias, korskopplingen 2·v⊥·Ω) och den systematiska effekten AC-Stark (AC: växelström) / ljusskift (ac_stark_phase, som upphävs vid en symmetrisk tvåfotonsförstämning) modelleras och enhetstestas nu i src/inertial/quantum_imu.rs;

• ytterligare tre felbidrag för CAI modelleras nu som biblioteksfunktioner i src/inertial/cai_error_terms.rs (0,36; MODELLED; ännu inte nåbara från en scenariotyp):

  • Fasbrus från Raman-laser: känslighetsfunktionens viktning enligt Cheinet m.fl. (2008), ekv. 8, med den slutna formen för vitt fasbrus σ_Φ² = (π/2)²·S_φ⁰/τ_R (ekv. 18 vid en cykel) och en numerisk väg för valfritt fasbrusspektrum, plus laserns frekvensbrus som fördröjningen vid retroreflektion t_d = 2L/c inte upphäver (Le Gouët m.fl. 2007, ekv. 9 till 11);
  • vågfrontskrökning (endast ren defokusering): biasen δg = σ_v²/R för ett termiskt moln på en stråle med krökningsradie R, och dess minskning när bara atomer inom en detektionsradie räknas (efter Louchet-Chauvet m.fl. 2011 och Schkolnik m.fl. 2015); aberrationer av högre ordning modelleras inte;
  • upplösning av fransosäkerhet: sannolikheten för ett felaktigt fransindex, erfc(π/(√2·s)), med hjälp av en klassisk accelerometer (Lautier m.fl. 2014) och för två avfrågningstider (efter Bonnin m.fl. 2018), med inversen som ger det största klassiska bruset för en angiven felsannolikhet.

  Varje sluten form kontrolleras mot en oberoende numerisk väg (kvadratur i frekvensdomänen, eller en Monte Carlo över atomer eller skott) och mot sina gränsfall. Det enda publicerade värde som återges är Cheinet m.fl:s nivå för vitt fasbrus: −111 dB·rad²/Hz vid τ_R = 20 µs ger omkring 1 mrad per skott (0,99 mrad; artikeln härleder den nivån med sin ekv. 17, flicker plus vitt). Inget av detta är en mätning av något instrument;

• fortfarande inte modellerat: vågfrontsaberrationer av högre ordning, fasbruset hos ett specifikt lasersystem och fysik från grundprinciper på klocksidan;

• paketet inertial för kvant mot klassisk är enaxligt; den treaxliga strapdown-vägen körs bara i gnss-ins och hybrid-ukf (se anmärkningen om IMU, tröghetsmätenhet, i README och VALIDATION.md).

Att slutföra kvantfysiklagret (att nå CAI:s felbidrag från en scenariotyp, vågfrontsaberrationer av högre ordning och fysik från grundprinciper på klocksidan) är det återstående P2-arbetet i ROADMAP.md.

Värden för markbaserat labb jämfört med flygkvalificerade#

Parametertabellerna blandar mognadsnivåer; behandla dem därefter:

Värden för optiska klockor i Kshana är rymdmål på markbaserad hårdvara. Det finns ingen optisk klocka som har flugit; README och resultatets proveniens säger det uttryckligen.

Referens: ACES/PHARAO på ISS (i drift sedan april 2025)#

Nyttolasten ACES/PHARAO från ESA (Europeiska rymdorganisationen) (ACES: Atomic Clock Ensemble in Space; PHARAO: Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) — en lasernedkyld cesiumklocka plus en aktiv vätemaser, i drift på ISS (Internationella rymdstationen) sedan april 2025 — är den nuvarande operativa referensen för klockstabilitet i omloppsbana (mål för relativ stabilitet av storleksordningen 1e-16 efter några dygns integrering). Kshanas modell av optisk klocka representerar ett mer offensivt mål för markbaserat labb än ACES flugna prestanda med cesium/maser; när man jämför Kshanas optiska värden med "vad som faktiskt har flugit" är ACES/PHARAO den ärliga referenspunkten, och det är ett mikrovågs-/masersystem, inte en klocka med optiskt gitter.

De exakta värdena för ACES prestanda i omloppsbana bör citeras ur ESA:s publicerade resultat i takt med att de släpps; poängen här är mognadsgapet, inte ett specifikt tal — Kshanas optiska värden är mål, inte flugen prestanda.

Se även#

• VALIDATION.md — etiketter per parameter (validated / not modeled).
• GLOSSARY.md — definitioner av kvalitetsmått (FoM) och varje förkortning.
• INTEGRITY.md — vad kvalitetsmåtten för integritet och säkerhet är och inte är.
• QUANTUM.md — kallatomsaccelerometern från grundprinciper.