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出典：Chainalysis：Wuzhu、Bitchain Vision

1985年、ゼロナレッジプルーフ（ZKP）の元の概念は、「インタラクティブプルーフシステムの知識の複雑さ」というタイトルのピアレビューされたアカデミックペーパーに登場し、暗号化のブレークスルーをマークしました。研究者のShafi Goldwasser、Silvio Micali、Charles Rackoffは、データ自体以外の情報を公開せずにデータが有効であることを証明できるかどうかを調査しました。ほぼ40年後、ZKPは多くのブロックチェーンの基本的な要素になり、プライバシーとセキュリティの強化によりユーザーをサポートしています。

ゼロ知識の証明とは何ですか？（ZKP）

Zero Knowledge Proof（ZKP）は、複数の当事者がステートメント自体の外側の情報を明らかにすることなく、ステートメントの信頼性を検証できるようにする暗号化方法です。多くのブロックチェーンは、ZKPを利用して、機密データを含む相互作用のセキュリティを改善します。したがって、ZKPを使用したブロックチェーンの参加者は、個人情報が悪意のある俳優によって漏れたり搾取される可能性は低いため、より自信を持って相互作用する可能性があります。

ゼロ知識証明のコンポーネント

ZKPでは、少なくとも2つの当事者が各インタラクションに参加する必要があります。ProverとValidatorです。Proverは、実際の数学的証拠を提供して、声明の有効性をバリデーターに納得させる責任があります。バリデーターは、この証拠を確認し、それを受け入れるか拒否する必要があります。

通常、いずれかの当事者が違法な情報を推測または提供する可能性を減らすために、プローバーと検証者の間に複数の通信があります。

ゼロ知識の証明はどのように機能しますか？

ZKPは、高度な暗号化アルゴリズムと数学的概念の基本的なビルディングブロックを使用して動作します。たとえば、ZKPは暗号化ハッシュ関数を使用して、プローバーとの相互信頼を構築するために、バリデーターのランダムな課題を生成します。

ZKPによってサポートされている相互作用は、次の条件を満たす必要があります。

• 誠実さ：声明が真実である場合、正直な調査者はバリデーターを簡単に納得させることができるはずです。

• 健全性：声明が間違っている場合、不正な支持者は検証者を欺くことができないはずです。

• ゼロ知識：どちらの当事者も、お互いについて他の個人情報を抽出することはできません。

2人のユーザーがZKPを使用して取引する方法の例を見てみましょう。

• A（Proofer）は、プライバシー通貨ZCASHを使用してトランザクションを実行し、非表示のブロックチェーンのオブザーバーがトランザクションの詳細（つまり、転送量、転送アドレスなど）を引き出すことができないようにしたいと考えています。

• B（Verifier）は、AからZCASHを受け取りたいと考えていますが、Aのウォレットに保持されている総資産など、個人の詳細を知りません。

• 暗号トランザクションとブロックチェーンに送信します。

• CryptoトランザクションでZKPを提出して、トランザクションが有効であることを証明します。

• ブロックチェーン上のノードはZKPをチェックして、Aの暗号トランザクションが実際に有効であることを確認します。

• ZKPが有効な場合、Bはそれを受け入れます。

• ZCASHはAのアカウントからBのアカウントに転送されます。

• トランザクションはブロックチェーンに永久に記録されます。

ゼロ知識証明の種類

ZKPには主に、インタラクティブと非インタラクティブの2つの形式があります。インタラクティブなZKPには、ProverとValidatorの間の複数のラウンドの前後のコミュニケーションが含まれます。非互換ZKPには、1ラウンドの通信のみが含まれます。プルーフは、検証剤にメッセージを送信するだけであり、同時にオンラインで行う必要はありません。

インタラクティブな証明は、ブロックチェーンベースのシステムでは一般的ではありません。なぜなら、それらは非効率的であり、両当事者が同時にオンラインであることを要求することが望ましくないことが多いためです。したがって、非対話セットアップで次のタイプのZKPを使用します。

ゼロ知識の簡潔な非対話知識引数（ZK-SNARK）により、参加者はその情報の詳細を明らかにすることなく特定の情報の所有を実証できます。ZK-SNARKは、イーサリアムブロックチェーンで一般的であり、プライバシー保護のスマートコントラクトに特に役立ちます。ZCASHはまた、ZK-SNARKを使用して、送信者、受信者、転送量を含む情報を開示しないトランザクションなどの保護されたトランザクションの有効性を証明します。

ゼロ知識スケーラブルな透明な知識引数（ZK-STARK）はZK-SNARKと同様に機能しますが、大規模なコンピューティングをスケーリングすることを目的としています。透明性やスケーラビリティなど、ZK-Starkの追加の利点があるため、さまざまなブロックチェーンアプリケーションと互換性があります。

防弾の証明は、値自体を明らかにすることなく、値が特定の範囲内にあることを証明します。高度な数学的概念を使用することにより、防弾プルーフは証明を小さくすることができ、それによりトランザクションサイズと検証時間を短縮できます。Moneroは防弾プルーフを使用します。

ゼロ知識証明のアプリケーションとユースケース

Zero-Knowledge Proofは、プライバシーを強化する分散型プロトコルからスケーラブルトランザクションソリューションまで、ブロックチェーンエコシステムで幅広いアプリケーションを提供します。これらのユースケースの一部はブロックチェーンによって採用されていますが、他のものはまだ投機段階または開発の初期段階にあります。

認証と安全な認証：DEFIの参加者は、ZKPを使用して、ガバナンス活動に参加したり、これらの属性の実際の値を明らかにすることなく、特定のトークンホルダーグループのメンバーになるなど、特定の属性があることを証明できます。同様に、ユーザーはZKPと対話して、アイデンティティに関連する情報を選択的に開示できます。

安全な投票システム：ZKPにより、Defi参加者は、歴史や投票の好みを明らかにすることなく、投票の適格性と投票数を実証することができます。

zk-rollupsトランザクションデータをオフチェーンまたは「ロールアップ」を暗号化の証明としてバンドルするレイヤー2拡張ソリューションであり、CallDataの形でEthereum Mainネットワークでトランザクションの有効性を公開します。トランザクションはメインネットへのバンドルで公開されるため、通常、スペースが少なくなり、イーサリアムのコンピューティング負担が軽減されます。人気のあるZK-Rollupsには、ZksyncとLoopringが含まれます。

zk-plasmaZKPを使用してイーサリアムでプライバシー保護されたサイドチェーンを作成するプラズマネットワークのバリアントです。メインネット上のすべてのデータを検証する代わりに、ユーザーはサイドチェーンのトランザクションを検証し、ZKPを使用してイーサリアムで有効性を公開できます。

分散交換（DEX）：ZKPは、ユーザーのトランザクション履歴、戦略、または口座残高を明らかにすることなく、さまざまな資産のトランザクションを促進できます。

サプライチェーンの透明性と整合性の検証：ZKPは、サプライヤーの資格情報と製品の信頼性を確認することにより、トランザクション情報や生産プロセスに関する独自の情報を許可されていない当事者に開示することなく検証することにより、サプライチェーンのセキュリティを強化できます。さらに、ZKPは、サプライチェーンの規制基準の認証とコンプライアンスの検証に役立つ場合があります。

次の図は、一部のユースケースでのゼロ知識技術の適用の規模を示しています。ZCASH（プライバシー保護の暗号通貨）、Tornado Cash（分散型、管理されていないスマートコントラクト）、Railgun（Ethereum L2プライバシープロトコル）、AZTEC（Ethereum L2 Privacyなど、最も人気のあるZKPアプリケーションのいくつかに送られた資金の量がいくつか見られました。合意）。2022年1月から2024年4月の間に、50億ドル近くの他の3つのZKP対応アプリよりも多くの資金がTornado Cashに送られました。

ゼロの知識証明の採用の課題

ZKPはブロックチェーンをより安全で効率的にすることが期待されていますが、その広範な採用は依然として多くの課題に直面しています。

• ZKPの実装と展開には、暗号化の原則と高度な数学を深く理解する必要があります。ほとんどの開発者はこの専門知識を持っていません。

• ZKPを生成するには、多くの場合、大量のコンピューティングリソースが必要であるため、トランザクション処理時間が遅く、料金が増加します。

• 参加者が互換性のないプロトコルまたは検証方法に遭遇すると、ブロックチェーンの相互運用性が困難になる可能性があります。

• ZKPの複雑さと対応するデータストレージは、規制のコンプライアンスと監査の課題を引き起こす可能性があります。

ブロックチェーンにおけるゼロ知識証明の未来

ブロックチェーンプラットフォームのプライバシーとセキュリティの重要性を認識し続けるにつれて、ゼロ知識の証明がより広く採用される可能性があります。さらに、Ethereumの多くのレイヤー2プロトコルは、スケーラビリティと効率を改善する方法を常に探しています。これらの継続的な取り組みは、ユーザーに敏感な情報を保護し、ブロックチェーントランザクションを標準化してブロックチェーンの相互運用性を促進する上で重要な役割を果たします。