FHE テクノロジーの秘密を明らかにする: ゼロ知識テクノロジーを超えたデータ プライバシー ソリューションの探索

2009 年のビットコインの出現以来、ブロックチェーン技術は劇的に進化し、単純な暗号通貨台帳から分散型アプリケーションで広く使用されるプラットフォームに変わりました。ブロックチェーンの基本的な特性 (不変性、透明性、分散化) により、安全なデータトランザクションのための強固なフレームワークとしてブロックチェーンが確立され、従来の仲介者の必要性がなくなりました。

ブロックチェーン技術は進歩しましたが、データプライバシーに関する懸念は依然として残っています。ブロックチェーンは暗号化を通じてデータ送信のセキュリティを確保しますが、データを処理するために実行される復号化プロセスには潜在的なセキュリティ ホールが存在する可能性があります。この脆弱性は、Web3 フレームワーク内で実行される分散型アプリケーション (dApps) や金融システムなど、データの機密性と整合性が重要な領域で特に重大です。

これらのリスクを軽減するために、完全準同型暗号化 (FHE) やゼロ知識証明 (ZKP) などの高度な暗号化手法がますます重要になっています。これらのテクノロジーは、基礎となる機密情報を明らかにすることなく、データの機密性を計算および検証する革新的な方法を提供します。

この記事では、ブロックチェーン アプリケーションのプライバシー向上における FHE と ZKP の重要な役割について詳細な分析を提供し、将来のブロックチェーン データ プライバシーの分野におけるこれらのテクノロジーの開発可能性の重要性を強調します。

はじめに

FHE と ZKP の歴史は数十年前に遡ります。どちらも時間の経過とともに大幅な進化を遂げており、データプライバシーの強化において依然として重要な役割を果たしています。

完全準同型暗号化 (FHE)

FHE は、暗号化されたデータに対して機能を直接実行できるようにする高度な暗号化方式であり、プロセス全体を通じて機密性を維持します。基本的に、FHE は保存中および計算中にデータを暗号化したままにし、暗号化を安全な「ブラック ボックス」として扱い、キーの所有者のみが出力を復号化できます。 FHE の概念は、暗号化されたデータを安全に処理できるようにコンピューター ハードウェアを変更するために 1978 年に初めて提案されました。ただし、コンピューティング能力の進歩により、実行可能な FHE ソリューションが利用可能になったのは 2009 年のことでした。この躍進は主にクレイグ・ジェントリーによるもので、彼の革新的な研究はこの分野で大きなマイルストーンとなった。

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重要な用語の説明:

• 完全準同型 (完全): 加算や乗算など、暗号化されたデータに対してさまざまな演算を実行できる機能を示します。
• 準同型: 暗号化されたデータを復号化せずに直接計算を実行できる機能を指します。
• 暗号化: 不正アクセスを防ぐために情報を安全な形式に変換するプロセスについて説明します。

FHE の分野は 2009 年以来大きな進歩を遂げ、2013 年には再線形化プロセスが簡素化され、FHE の効率が大幅に改善された大きな進歩がありました。これらの開発は、暗号化されたデータに対してさまざまな算術演算を実行し、データの内容を公開することなくデータのセキュリティと整合性を保護する FHE の能力を実証しています。

ゼロ知識証明 (ZKP)

ZKP は、1985 年に Shafi Goldwasser、Silvio Micali、Charles Rackoff によって独創的な論文「対話型証明システムの知識の複雑さ」で初めて提案されました。 ZKP はもともと理論的な概念でしたが、2012 年に zk-SNARK が登場してから大きな発展が見られました。 zk-SNARK は、ほとんど情報を明らかにすることなく、あらゆる計算の信頼性を検証できる ZKP の一種です。

典型的な ZKP には、証明者と検証者という 2 つの主な役割があります。証明者の目標は特定のステートメントを確認することであり、検証者の役割は追加情報を学習することなくステートメントの真実性を評価することです。このアプローチにより、証明者は陳述を検証するために必要な証拠のみを開示できるため、データの機密性が保護され、プライバシーが強化されます。

ブロックチェーン技術と暗号通貨の台頭により、ZKPの実用的な用途は劇的に増加しました。これらは、プライベートトランザクションを促進し、スマートコントラクトのセキュリティを強化する上で非常に重要です。 zk-SNARK の出現により、zCash、zkRollups、zkEVM などのソリューションの開発が行われ、かつては学術的な研究であったものが、現実世界のアプリケーションが満載のエコシステムに変わりました。この変化は、イーサリアムのような分散型システムの保護と、強力なプライバシー重視のデジタル インフラストラクチャの推進における ZKP の関連性の高まりを浮き彫りにしています。

ZK vs FHE

FHE と ZKP にはいくつかの類似点がありますが、機能的には大きな違いがあります。 FHE は、元のデータを漏洩したりアクセスしたりすることなく、暗号化されたデータに対して直接計算を実行でき、基礎となる情報を公開することなく正確な結果を生成します。

图片来源于 Morten Dahl的研讨会

2 つのテクノロジーは次の点で異なります:

暗号コンピューティング

ZKP は、セキュリティを損なうことなく、複数のユーザーからの暗号化されたデータ (プライベート ERC-20 トークンなど) を処理することが困難です。対照的に、FHE はこの点で優れており、ブロックチェーン ネットワークに優れた柔軟性と構成可能性を提供します。ただし、ZKP では、多くの場合、新しいネットワークまたは資産ごとにカスタム統合が必要になります。

スケーラビリティ

現在、ZKP は FHE よりも拡張性が高いと広く考えられています。ただし、テクノロジーが進歩し続けるにつれて、FHE のスケーラビリティは今後数年間で向上すると予想されます。

複雑な計算

FHE は、暗号化されたデータに対して複雑な計算を実行するのに最適であり、機械学習、安全な MPC、完全なプライベート計算などのアプリケーションに最適です。対照的に、ZKP は通常、特定の値を漏らすことなく証明するなど、より単純な操作に使用されます。

普遍的な適用性

ZKPは、認証、認証、スケーラビリティなどの特定のアプリケーションに優れています。ただし、FHE は、安全なクラウド コンピューティング、プライバシーを保護する人工知能、機密データ処理など、より幅広いアプリケーション分野で使用できます。

この比較では、各テクノロジーの独自の長所と限界が強調され、さまざまなシナリオとの関連性が示されています。どちらのテクノロジーもブロックチェーン アプリケーションの重要なコンポーネントですが、現在、ZKP の方がより成熟したアプリケーション実績を持っています。それにもかかわらず、FHE は将来的に進化すると予想されており、将来的にはプライバシー保護により適したソリューションになる可能性があります。

ZKP と FHE の共同アプリケーション

いくつかのアプリケーションは、ZKP と FHE を組み合わせる興味深い方法を試みています。特に、Craig Gentry 氏らは、ハイブリッド完全準同型暗号化技術を使用して通信オーバーヘッドを削減することを検討しました。これらの革新的なテクノロジーはさまざまなブロックチェーンのシナリオに適用されており、他の分野でも探求される可能性があります。

ZKP と FHE の組み合わせの潜在的な用途には以下が含まれます:

1. セキュアなクラウド コンピューティング: FHE はデータを暗号化し、ZKP はその正確性を検証するため、元のデータを公開することなくクラウドでセキュアなコンピューティングを実行できるようになります。

2. 電子投票: その組み合わせにより、投票用紙の機密性が保証され、正確な投票集計が確認されます。

3. 金融取引: 金融セクターでは、この統合により取引の機密性が維持され、当事者は詳細を明らかにすることなく取引の正確性を検証できます。

4. 医療診断: 医療データは暗号化されており、医療提供者が分析できるため、患者の機密情報にアクセスすることなく診断を確認できます。

ZKP と FHE の共同アプリケーションは、アプリケーションの ID とデータのセキュリティを強化することを約束しており、さらなる調査と研究の価値があります。

現在のFHEプロジェクト

ここでは、ブロックチェーン分野でのFHEテクノロジーの適用に取り組んでいるいくつかのプロジェクトを紹介します:

• Zama: ブロックチェーンと人工知能のためのFHEソリューションの開発に特化したオープンソースの暗号化企業。

• Secret Network: 2020年に開始された、プライバシー保護スマートコントラクト機能を統合したブロックチェーンプラットフォーム。

• Sunscreen: FHE および ZKP 用に設計されたコンパイラー。

• Fhenix: FHE テクノロジーを活用した機密レイヤー 2 ブロックチェーン。

• Mind Network: FHE に基づくユニバーサル再ステーキング ロールアップ ソリューション。

• Privasea: FHE テクノロジーを使用して暗号化されたデータの計算を容易にするデータ インフラストラクチャ プラットフォーム。

概要

FHE は、特にクラウド コンピューティング領域において、サイバーセキュリティの不可欠な部分としての地位を急速に確立しつつあります。 Google や Microsoft などの業界大手は、プライバシーを損なうことなく顧客データを安全に処理および保存するためのテクノロジーを採用しています。

このテクノロジーは、プラットフォーム全体のデータ セキュリティを再定義し、前例のないプライバシーの時代を到来させることを約束します。この未来を実現するには、FHE や ZKP などのテクノロジーの継続的な進歩が必要です。規制環境を乗り越え、より広範な導入を促進するには、暗号学者、ソフトウェア エンジニア、ハードウェア専門家、政策立案者など、分野を超えたコラボレーションが不可欠です。

デジタル主権の新時代に向けて移行する中、データのプライバシーとセキュリティのシームレスな融合という観点から、FHE や ZKP などの分野の最新の開発状況を常に最新の状態に保つことが重要です。情報を常に最新の状態に保つことで、この進化する状況を効果的にナビゲートし、これらの高度な暗号化ツールの可能性を最大限に活用できるようになります。

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