ゼロ知識証明の歴史、応用、原理

1. ゼロ知識証明の開発プロセス

現代のzk-SNARKsシステムは、1985年にGoldwasser、Micali、およびRackoffが発表した論文に起源を持ちます。この論文では、インタラクティブシステムにおいて、複数回の対話を通じて命題の正しさを証明するために必要な知識の量について探討しています。もし零知識交換が実現できれば、それは零知識証明と呼ばれます。このインタラクティブシステムには確率的な正確性の問題が存在するため、その後、完全性を持つ非インタラクティブシステムが発展しました。

初期のzk-SNARKsシステムは効率と可用性が低く、主に理論的な側面にとどまっていました。過去10年間、暗号学が暗号通貨分野での台頭に伴い、zk-SNARKsは徐々に重要な研究方向となりました。その中で、汎用的で非対話的、証明サイズが限られたプロトコルの探求が鍵となります。

zk-SNARKsの重要なブレークスルーには:

• 2010年、Grothは短対の非対話型ゼロ知識証明を提案し、zk-SNARKの理論的基礎を築いた
• 2013年Pinocchioプロトコルは、証明と検証の時間を圧縮しました
• 2016年Groth16アルゴリズムは、証明のサイズを縮小し、検証効率を向上させました
• 2017 Bulletproofsアルゴリズム、短くて非インタラクティブなゼロ知識証明を実装
• 2018年zk-STARKsプロトコル、信頼できる設定は不要

また、PLONKやHalo2も重要な進展であり、zk-SNARKsに改良を加えました。

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次に、ゼロ知識証明の主な応用

zk-SNARKsの最も広範な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。

プライバシー取引に関して、代表的なプロジェクトには以下が含まれます:

• Zcash:zk-SNARKsを使用した取引のプライバシー
• モネロ: Bulletproofアルゴリズムを使用
• Tornado Cash:イーサリアムに基づくミキシングプール

容量拡張に関しては、主にZKロールアップテクノロジーに反映されています。

• 一層のネットワークで実現可能、Minaのように
• より多くのことが第2層ネットワークで実現されます、つまりZK Rollup

ZK Rollupには主に2種類の役割があります: Sequencerはトランザクションをパッケージ化し、Aggregatorはトランザクションを統合して証明を生成します。

現在の市場で競争力のあるZKロールアッププロジェクトには、StarkNet、zkSync、Aztec Connect、Polygon Hermez / Miden、Loopring、Scrollなどがあります。 主にSNARKとSTARKの間で選択されるのは、技術的なルートやEVMのサポートの度合いです。

EVMの互換性は重要な問題です。プロジェクトは一般的にZKシステムとEVM互換性の間でトレードオフを行うか、両者を兼ね備えた新しい仮想マシンを設計します。最近、EVMの互換性が大きな進展を遂げ、これがZKエコシステムの発展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-SNARKは「zk-SNARKs」を代表します。それには以下の特徴があります:

• ゼロ知識:追加情報を漏らさない
• シンプル:検証プロセスが短い
• 非インタラクティブ:複数回のインタラクションは不要
• 信頼性: 限られた計算能力の証明者は偽造できない
• 知識性:証明者は有効な情報を知っている必要があります

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Groth16を例にとると、ZK-SNARKの基本的なステップは次の通りです:

1. 問題を回路に変換する
2. 回路をR1CS形式に変換します
3. R1CSをQAPに変換する
4. 信頼できる設定パラメータを生成する
5. ZK-SNARKプルーフの生成と検証

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zk-SNARKsは暗号学とブロックチェーン分野でますます重要な役割を果たしており、その発展と応用は引き続き注目に値します。