jakiro
<スパンリーフ=""><スパンテキスト="">著者:<スパンリーフ=""><スパンテキスト="">0xキラ
序文
進化し続ける暗号化とブロックチェーンの状況において、ゼロ知識 (ZK) 証明ほど注目を集めているイノベーションはほとんどありません。かつてはコンピュータ サイエンスの理論論文で曖昧な学術概念でしたが、ゼロ知識証明は急速に論文からメインネットに移行し、次世代の暗号インフラストラクチャの基礎となっています。
ゼロ知識証明は本質的に、検証には情報の公開が必要であるというデジタル システムにおける長年の前提に疑問を投げかけます。アプリへのログイン、本人確認、取引の確認など、信頼を得るために常に特定の情報を開示する必要があります。ゼロ知識証明テクノロジーはこのトレードオフを打破し、基礎となる情報を明らかにすることなくアイデンティティ、データ、または計算に関する事実を証明できるようにします。
プライバシー保護に加えて、ゼロ知識証明により、世界規模でのスケーラビリティ、相互運用性、トラストレス検証が可能になります。ブロックチェーンのスループットを拡張する ZK ロールアップから、プライバシーを保護する ID およびコンプライアンス システムに至るまで、ゼロ知識証明は暗号通貨で可能なことを再定義しています。
概要
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ゼロ知識 (ZK) 証明は、基礎となるデータを明らかにすることなく、身元、残高、トランザクションの有効性などの情報を検証できます。
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ゼロ知識証明技術は 1980 年代に最初に提案されましたが、コンピューティング、暗号化、ブロックチェーン技術の進歩により、実用化されたのはつい最近です。
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ZK Proofs は、プライベート トランザクション、分散型 ID、DAO 投票、クロスチェーンの相互運用性を強化しながら、ZK ロールアップを介して数千のトランザクションを単一のプルーフにパッケージ化することでイーサリアムを拡張します。
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ZK ロールアップ アルゴリズムは計算量が多くなりますが、即座にファイナリティが得られ、手数料が低く、セキュリティが強化されているため、楽観的スキームよりも優れています。
ゼロ知識証明とは何ですか?
ゼロ知識 (ZK) 証明は、一方の当事者 (証明者) が別の当事者 (検証者) に対して、そのステートメントが真実である理由や追加情報を明らかにすることなく、特定のステートメントが真実であることを証明できるようにする暗号化手法です。
たとえば、アリスはボブに洞窟の隠し扉のパスワードを知っていることを証明したいと考えていますが、パスワードを直接伝えることはできません。彼女は洞窟に入り、ドアを開け、反対側から出てきます。ボブには彼女がどのようにしてそれを行ったのかを見ることができませんでしたが、彼女がパスワードを知っているに違いないことはわかっていました。
ゼロ知識証明の古典的な比喩 – Chainlink
従来、検証には ID 情報、パスワード、データなどの一部の情報の開示が必要でした。ゼロ知識証明はこのモデルをひっくり返し、データ自体を公開することなく身元、信頼性、または所有権を証明します。
デジタル システムでは、これは次のことができることを意味します。
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生年月日を明らかにしなくても、18 歳以上であることを証明できます。
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ウォレット残高を明かさずに十分な資金を証明する
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取引内容を明かさずに取引の正当性を証明すること
この「情報を漏らさずに証明する」能力は、プライバシー、セキュリティ、透明性を維持するシステムの基礎であり、ゼロ知識証明はこの 2 つの特性を活用することができます。
それらはどのように機能するのでしょうか?
ゼロ知識証明は難解な数学的構造と暗号プリミティブに依存しますが、概念的には次の 3 つの基本特性に要約されます。
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完全性: ステートメントが真実であれば、正直な証明者は検証者にそれが真実であると確信させることができます。
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健全性: ステートメントが偽の場合、不正行為証明者は、そのステートメントが偽であることを検証者に納得させることはできません。
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ゼロ知識: 検証者は、ステートメントが true であること以外は何も学習しません。
実際にはゼロ知識証明にはいくつかのタイプがありますが、今回の議論では対話型ゼロ知識証明と非対話型ゼロ知識証明の 2 つのタイプに焦点を当てます。
初期の設計では、ゼロ知識証明は対話型でした。証明者と検証者は双方向の会話を行い、検証者はランダムな課題を提示し、証明者はそれに応じて証明を提供し、共同してステートメントの真実性に対する信頼を築きます。このモデルは理論上は機能しますが、ブロックチェーン環境では、多くの場合、すべての関係者がリアルタイムで対話することが難しいため、あまり効率的ではありません。
これをより実用的にするために、暗号学者は、証明者が検証者にメッセージを送信することだけを必要とする非対話型のゼロ知識証明 (NIZK) を開発しました。これらの中で最も有名なのは zk-SNARK で、非常にコンパクトなプルーフを生成し、ミリ秒単位で検証することができます。もう 1 つのバリアントは zk-STARK で、これは信頼できるセットアップを必要とせず、レベルのポスト量子セキュリティを提供します。
zk-SNARK の仕組み – Midnight Network
基本的に、これらのシステムを使用すると、証明者は効率的な計算の数学的な「指紋」を生成できます。検証者は、計算全体をやり直すことなく、そのフィンガープリントをチェックできます。まさにこれが、ブロックチェーンのスケーリングにおいて非常に強力である理由です。単一の暗号証明をチェックするだけで、何千ものトランザクションを迅速かつ安価に検証できます。
ゼロ知識証明はいつ発明されましたか?
ゼロ知識証明の起源は 1980 年代半ばに遡ります。当時、研究者シャフィ ゴールドワッサー、シルビオ ミカリ、チャールズ ラックフは独創的な論文「対話型証明システムの知識の複雑さ」(1985 年) でこの概念を導入しました。
彼らの初期の理論モデルは、その後数十年にわたる暗号技術革新の基礎を築きましたが、計算効率の向上とブロックチェーン技術の台頭のおかげで、ゼロ知識証明が実用化されたのは 2010 年代になってからでした。
2016 年に開始され、ゼロ知識証明を大規模に導入した最初のプロジェクトの 1 つである Zcash などのプロジェクトは、zk-SNARK を使用して公開台帳でのプライベート トランザクションを可能にします。それ以来、ゼロ知識証明テクノロジーは大幅に進化し、証明の生成がより効率的かつ高速になり、開発者が使いやすく、実際のシステムのスケーリングにより適した新しいフレームワーク (zk-STARK、Halo、PLONK など) が登場しました。
暗号化の分野におけるゼロ知識証明の用途は何ですか?
最も直感的でよく知られているアプリケーション シナリオは、プライバシーを保護するトランザクションです。ゼロ知識証明により、ユーザーは取引金額や取引相手などの機密情報を公開することなく、パブリック ブロックチェーン上で取引を行うことができます。Zcash はこのテクノロジーのパイオニアであり、チェーン上で検証可能な整合性を維持しながらユーザーのプライバシーを保護する「シールドされたトランザクション」メカニズムを導入しています。この基盤を基盤として、Tornado Cash、Aztec、Railgun などのプロジェクトはゼロ知識証明テクノロジーをイーサリアムに拡張し、プライベートなスマート コントラクトのやり取りや機密の DeFi トランザクションを可能にしました。
Tornado Cash の仕組み – Elliptic
プライバシー保護に加えて、ゼロ知識証明はデジタル ID と規制遵守の世界に革命をもたらしています。選択的開示をサポートしており、ユーザーは個人データを明らかにすることなく特定の事実を証明できます。たとえば、ユーザーは名前を明らかにせずに KYC 検証に合格したことを証明したり、識別情報を提供せずに制裁リストに載っていないことを確認したりできます。この原則は、Worldcoin の Proof of Personalhood、Polygon ID、zkPass などの新興のゼロ知識 ID システムの基礎となっています。
Polygon ID: ゼロ知識証明をサポートする ID システム – Polygon
ゼロ知識証明は、投票やガバナンスにも強力に応用できます。分散型自律組織 (DAO) では、匿名だが検証可能な投票プロセスを促進し、個々の有権者のアイデンティティ プライバシーを保護しながら透明性のある結果を確保できます。これにより、強制や報復のリスクが軽減され、集団的な意思決定へのより誠実な参加が促進され、分散型ガバナンスの民主主義原則が強化されます。
ゼロ知識証明のもう 1 つの利点は、クロスチェーン検証の分野にあります。マルチチェーン環境では、異なるブロックチェーン間で信頼を確立するには、従来、仲介者または複雑なブリッジング メカニズムが必要でした。ゼロ知識証明は、より洗練されたソリューションを提供します。1 つのチェーンで生成された証明はその状態の正当性を証明でき、もう 1 つのチェーンはその証明を独立して検証できます。これにより、トラストレスな相互運用性が可能になり、集中管理されたバリデータに依存せずに、さまざまなブロックチェーンが安全に通信できるようになります。
ZK テクノロジーは、ZK ロールアップを通じてイーサリアムのスケーラビリティも向上させています。これらのロールアップは、数千のトランザクションを単一の暗号証明にパッケージ化することで、セキュリティを確保しながらオンチェーンのデータ負荷を大幅に軽減します。その結果、より高速、低コスト、より効率的なトランザクション処理が実現し、イーサリアムの分散型の性質を損なうことなく大規模なアプリケーションに対処するための基盤が築かれました。
ZKロールアップの詳細説明
ゼロ知識証明に基づくすべてのアプリケーションの中で、ZK ロールアップは間違いなく最も革新的です。これらは、暗号通貨における最大の課題の 1 つであるブロックチェーンのスケーラビリティを解決します。
ブロックチェーン技術の誕生以来、すべてのブロックチェーンはブロックチェーンのトリレンマに直面してきました。つまり、すべてのブロックチェーンは、セキュリティ、スケーラビリティ、分散化の 3 つの核心属性のうち 2 つしか達成できません。イーサリアムのようなブロックチェーンは安全で分散化されていますが、依然として遅く、高価です。各トランザクションはすべてのノードによって検証される必要があるため、ボトルネックが発生し、スループットが制限され、ガス料金が高騰し、ブロックチェーンの可用性が大幅に低下します。
Rollup は、オフチェーンでトランザクションを実行し、集約された情報をメイン チェーンまたはレイヤー 1 (通常はイーサリアム) に公開するレイヤー 2 ソリューションです。ロールアップは主にオプティミスティックロールアップとZKロールアップの2種類に分かれます。
ZK Rollup では、数百または数千のオフチェーン トランザクションが一緒にパッケージ化されます。証明者は、パッケージ化されたすべてのトランザクションがブロックチェーンのルールに準拠していることを示すゼロ知識証明 (有効性証明とも呼ばれる) を生成します。この単一の証明はメイン チェーンに送信され、メイン チェーンは迅速かつ決定的に検証できます。
ZK ロールアップの仕組み – Messari
この設計により、各トランザクションを個別に処理する場合と同じセキュリティ保証を維持しながら、レイヤー 1 のデータ量と計算負荷が大幅に削減され、レイヤー 1 の速度とスケールのボトルネックが解消されます。
ZK ロールアップの代表的なプロジェクトには次のものがあります。
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zkSyncEra: Matter Labs によって開発され、zk-SNARK を使用して高速なファイナリティを実現します。
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スタークネット: zk-STARK 上に構築され、スケーラビリティと透明性を重視
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ポリゴンzkEVM: イーサリアム仮想マシン (EVM) のゼロ知識実装であり、イーサリアム上の既存のスマート コントラクトと完全な互換性があります。
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ライター: zk-SNARK、特に Plonky2 を使用したカスタム ZK ロールアップに基づいて構築された持続可能な DEX プラットフォーム。
ZKロールアップのメリット
ZK ロールアップは、数千のトランザクションを単一の暗号証明に圧縮することでスループットを大幅に向上させることができ、イーサリアムのようなブロックチェーンが分散化やセキュリティを犠牲にすることなく、より多くのアクティビティを処理できるようになります。
セキュリティも重要な利点です。不正行為を検出するために金銭的インセンティブと 1 週間のチャレンジ期間に依存する楽観的ロールアップとは異なり、ZK ロールアップは数学的妥当性証明を使用して、事前に正確性を保証します。証明がオンチェーンで検証されると、基礎となるトランザクションは最終的かつ不変となり、待ち時間や不確実性が排除されます。
これは、確認の迅速化も意味します。ZK ロールアップのトランザクションは、対応するプルーフが検証されるとすぐに決済されるため、オプティミスティック システムで一般的な待ち時間と比較して、ユーザーは最終結果にほぼ即時にアクセスできます。
費用対効果も大きな利点です。ZK ロールアップは非常に少量のデータのみをレイヤー 1 ブロックチェーンに送信するため、ガス料金が大幅に削減され、ユーザーとアプリケーションがイーサリアム上で実行するコストが安くなります。
さらに興味深いのは、ZK ロールアップがプライバシー保護の強化への扉を開くことです。それ自体がゼロ知識暗号に基づいて構築されているため、理論的にはロールアップ自体に機密性を直接組み込むことができ、プライベートで検証可能なトランザクションを大規模に実行できるようになります。
現時点での主な制限は計算要件です。ゼロ知識証明の生成には依然として多くのリソースが消費され、強力なハードウェアと高度な暗号化技術が必要です。ただし、特にハードウェア アクセラレーション、回路設計、再帰証明などの継続的な進歩により、これらのコストは着実に削減され、ZK ロールアップの各世代の効率が向上しています。
楽観的ロールアップとの比較
Arbitrum や Optimism などの楽観的なロールアップは、異なる哲学に従っています。デフォルトでは、すべてのオフチェーン トランザクションが有効になります。誰かがこの仮定に異議を唱えた場合にのみ、システムは論争を検証するために「詐欺の証拠」を要求します。このプロセスには通常約 1 週間かかります。このモデルは実際にはうまく機能しますが、トランザクションの最終確認に遅れが生じ、参加者が無効なアクティビティを検出して報告するインセンティブに依存しています。
ZK ロールアップには、トランザクションのバッチごとにゼロ知識の有効性証明が付属しており、メイン チェーンに書き込まれる前にその正しさを数学的に確認するため、即座のファイナリティと強力なセキュリティが提供されますが、同時により高い技術的複雑さとより大きな計算量ももたらします。
基本的に、2 つのモデルは異なるトレードオフを表します。オプティミスティック ロールアップは実装が容易で、そのシンプルさとイーサリアム仮想マシン (EVM) との完全な互換性により、現在イーサリアムのレイヤー 2 スペースを支配しています。ZK ロールアップはより複雑で計算量が多くなりますが、決済の高速化、コストの削減、プライバシーの組み込みの可能性をもたらします。
結論
ゼロ知識証明は、デジタル システムにおける信頼、プライバシー、検証へのアプローチ方法におけるパラダイム シフトを表しています。1980 年代に生まれたこの抽象的な暗号理論は、次世代の分散型インフラストラクチャの開発を推進する最も有望なテクノロジーの 1 つになりました。
暗号通貨の分野では、ゼロ知識証明はプライベート トランザクション、分散型 ID、クロスチェーンの相互運用性、そして最も重要なことに、イーサリアム レベルのセキュリティを維持しながらスループットを飛躍的に向上させるスケーラブルなロールアップ アーキテクチャを強化します。その応用範囲は、ブロックチェーンを超えて、金融、人工知能、データ検証などの分野にも広がります。
ゼロ知識証明の応用はまだ比較的初期段階にありますが、その開発の軌道はすでに明らかです。ゼロ知識証明は、暗号化における新しいテクノロジーから、インフラストラクチャ構築の避けられない部分に変わりつつあります。ブロックチェーンがプライバシーと分散化を確保しながら数十億のユーザーに拡張する場合、ゼロ知識証明がその未来を開く鍵となる可能性があります。
