ゼロ知識証明:理論から実践までの開発プロセス

zk-SNARKs(ZKP)はブロックチェーン業界のホットな技術として、近年急速に発展しています。本稿ではZKPの発展の歴史を振り返り、その基本原理と主要な応用について探討し、読者にこの複雑な分野の脈絡を整理します。

1. ゼロ知識証明の開発プロセス

現代のzk-SNARKs体系は、1985年にGoldwasser、Micali、Rackoffが共同執筆した論文に由来します。この論文では、インタラクティブシステムにおいて、多回のやり取りを通じて主張の正しさを証明し、同時に追加情報を漏らさない方法が探討されています。このようなインタラクティブシステムは確率的には正しいですが、完璧ではありません。

非対話型システム(NP)の出現により、zk-SNARKsはより完全になりました。しかし、初期のzk-SNARKsシステムは効率と利用可能性の面で依然として不足しており、主に理論的な段階に留まっていました。最近の10年間、暗号学が暗号通貨分野で台頭したことで、zk-SNARKsは実用段階に本当に入ることができました。

2010年にGrothの論文がzk-SNARKsの理論的基礎を築き、ZKPの発展における重要なマイルストーンとなりました。2015年、プライバシーコインZ-cashが初めて零知识证明を取引のプライバシー保護に応用し、ZKPの広範な利用が始まりました。

その後、一連の学術的成果がZKPの発展を促進しました:

• 2013年Pinocchioプロトコルは証明と検証時間を圧縮しました
• 2016年Groth16は証明のサイズを簡素化し、検証効率を向上させました
• 2017年、Bulletproofsは、短く簡潔な非インタラクティブなゼロ知識証明を提案しました
• 2018年zk-STARKsは、信頼できる設定なしでのZKPプロトコルを実現しました。

他のPLONKやHalo2などの技術もzk-SNARKsに重要な改良をもたらしました。

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次に、ゼロ知識証明の主な応用

ZKPの現在最も広く使われている2つの応用は、プライバシー保護とスケーラビリティです。

プライバシー保護

初期のプライバシー取引プロジェクトであるZ-cashとMoneroは、プライバシー保護分野におけるZKPの応用を推進しました。Z-cashを例に挙げると、その取引のプライバシーを実現するためにzk-SNARKsを使用しています:

1. システム設定段階で証明鍵と検証鍵を生成する
2. 新しいコインを生成し、公共アドレスとコインのコミットメントを記録する
3. zk-SNARKプルーフの生成
4. バリデーターは取引の正確性を検証します
5. 受取人がコインを受け取り、使用する必要がある場合は、上記の手順を繰り返します。

しかし、Z-cashなどのプロジェクトのプライバシー取引の使用率は低く、プライバシーの需要は予想ほどではないことを示しています。それに対して、Tornado Cashが採用している単一の大規模ミキシングプールの設計はより汎用的です。

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###拡張

ZKPのスケーリングに関する応用は主にzk-rollupです。zk-rollupには二種類の役割があります:

• シーケンサー: 取引のパッケージングを担当
• アグリゲーター: 大量の取引を統合し、ZKP証明を生成します

zk-rollupの利点は、コストが低く、取引速度が速く、プライバシーを保護できることです。しかし、計算量が大きく、信頼できる設定が必要などの欠点もあります。

現在主流のzk-rollupプロジェクトにはStarkNet、zkSync、Aztec、Polygon Hermezなどがあり、技術的な路線は主にSNARKとSTARKの選択、およびEVMをサポートするかどうかに関わっています。

EVM互換性は重要な問題です。いくつかのプロジェクトはSolidityオペコードと完全に互換性を持つことを選択し、他のプロジェクトはSolidityと互換性のある新しい仮想マシンを設計しています。EVM互換性の向上は、ZKの開発エコシステムと競争状況に影響を与えるでしょう。

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第三に、zk-SNARKの基本原理

zk-SNARKsは現在最も広く使用されているZKPソリューションの1つです。それは以下の特徴を持っています:

• ゼロ知識: 証明プロセスは追加情報を漏らさない
• 簡潔:証明のサイズが小さい
• 非インタラクティブ: 非インタラクティブ
• 引数: 計算の信頼性が高い
• 知識について: 証明者は有効な情報を知っている必要がある

zk-SNARKの基本実装ステップは:

1. 問題を回路に変換する 2.回路をR1CS形式に変換します
2. R1CSをQAP形式に変換する
3. 信頼できるセットアップのランダムパラメータを生成する
4. zk-SNARKプルーフの生成と検証

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zk-SNARKsは最先端技術として、理論と応用の両面で急速に発展しています。より多くのプロジェクトが実現するにつれて、ZKPはブロックチェーン分野でより大きな役割を果たすことが期待されています。

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