ZKP＋ビットコイン：ビットコインネットワークにどのような付加価値をもたらすのか？
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ZKP＋ビットコイン：ビットコインネットワークにどのような付加価値をもたらすのか？
ビットコインはゼロ知識証明と天然的に結合する素質を持っている。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察著者：Kyle Liu、Bing Ventures 投資マネージャー
主なポイント
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ゼロ知識証明（ZKP）は、金額、アドレス、入力・出力などの取引詳細を隠しつつ、取引の有効性と完全性を保持することで、ビットコインのプライバシーを向上させます。これにより、第三者による取引活動の追跡や分析を防ぐことができます。
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ゼロ知識証明は、取引データのサイズと検証時間を削減することで、ビットコインのスケーラビリティを向上させます。たとえば、ZK-STARKsまたはその改良版を使用すれば、複数の取引をまとめて処理し、ゼロ知識証明で検証することで、スペースと時間を節約できます。
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ゼロ知識証明は、より多くの機能やアプリケーションをサポートすることで、ビットコインの革新性を高めます。たとえば、ZK-SNARKsを利用すれば、情報を開示せずオーバーヘッドを増加させることなく、より複雑で柔軟な契約を実行するためのロジックや計算を追加できます。
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最終的に、ゼロ知識証明はビットコインをより信頼不要かつ非中央集権的にし、そのコア価値観に合致します。技術の進化とともに、ビットコインとZKPの潜在能力はさらに引き出されていくでしょう。
ブロックチェーンインフラやdAppにおいて、ゼロ知識証明技術を採用するチームが増えてきています。しかし、ほとんどがイーサリアムベースの開発に集中しています。一方で、ビットコインとゼロ知識証明には本来的な親和性があり、この分野はまだ十分な注目を受けていません。ゼロ知識証明とビットコインの統合は、ネットワークにどのような利点をもたらすでしょうか。本稿では、Bing Venturesのリサーチ記事として、技術的原理と応用可能性について探ります。
ゼロ知識証明（ZKP）とは、ある当事者（証明者）が別の当事者（検証者）に対して、情報内容を開示せずに事実の正当性を証明できる数学的手法です。この方法はプライバシー保護に非常に有効であり、証明者は証明内容に関する情報を一切漏らさずに、その真実性を示すことができます。
ビットコインはゼロ知識証明と自然な親和性を持っています。ビットコインは分散型デジタル通貨であり、ブロックチェーンを使って取引を記録しており、すべての取引情報は公開されています。しかし、これは誰でも取引情報を閲覧できることを意味し、プライバシー漏洩のリスクがあります。ゼロ知識証明はこの問題を解決できます。
ゼロ知識証明を用いることで、ビットコインユーザーは取引情報を暗号化した上で、情報を開示することなくその有効性を証明でき、より高いレベルのプライバシー保護を実現できます。また、ゼロ知識証明はビットコインのスケーラビリティも向上させます。現在、ビットコインの取引速度はブロックチェーンのサイズとネットワーク混雑によって制限されており、大規模な商用利用が難しい状況です。しかし、ゼロ知識証明を使えば、多数の取引を一括処理し、証明サイズを極小に圧縮することで、ビットコインのスケーラビリティと効率を高められます。
出典：Bing Ventures
背景と基本原理
ZK-SNARKsとZK-STARKs
ZK-SNARKsおよびZK-STARKsはどちらもゼロ知識証明の一種であり、機密情報を開示せずに特定のデータや操作の有効性を証明できる点で共通しています。ただし、実装方法、パフォーマンス、応用範囲には違いがあります。
ZK-SNARKs（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）は楕円曲線暗号に基づくゼロ知識証明技術です。複雑な計算問題を非常に小さなサイズの証明に変換でき、やり取りを必要としません。つまり、計算内容を一切開示せずにその正しさを検証できるのです。主な応用分野は暗号資産やプライバシー保護です。
ZK-STARKs（Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge）は新しいタイプのゼロ知識証明技術で、ZK-SNARKsよりも柔軟で安全です。ZK-STARKsは楕円曲線暗号に依存せず、ハッシュ関数と多項式補間技術を使用します。そのため、予測不能な数学的難問に頼らず、ハッシュ関数の逆算困難性に依拠するため、より信頼性が高いです。また、証明サイズはZK-SNARKsより大きいものの、検証性が優れており、分散コンピューティングやIoTセキュリティなど幅広い分野への応用が可能です。
出典：Matter Labs
ビットコインにおけるゼロ知識証明導入の課題
Zcashを例にすると、ZcashはZK-SNARKs技術を採用しており、取引金額や参加者の身元など詳細情報を隠蔽することで、強固なプライバシー保護を実現しています。その技術的仕組みは以下の通りです。
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Zcashには2種類のアドレスがあります：透明アドレス（t-address）と秘匿アドレス（z-address）。透明アドレスはビットコインと同様で、ブロックチェーン上で取引金額と参加者が公開されます。一方、秘匿アドレスはゼロ知識証明を利用して、取引金額と参加者のプライバシーを保護します。
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ユーザーが秘匿アドレスから別の秘匿アドレスへ送金する際、十分な残高があること、および既に使用済みの資金を再利用していないことを証明するためにZK-SNARKs証明を生成する必要があります。このプロセスには公開パラメータの生成、ハッシュ計算、算術回路の構築など、高度な数学および暗号技術が含まれます。
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ZK-SNARKs証明の生成には大量の計算資源と時間がかかりますが、検証は非常に迅速かつ簡単です。検証者は取引がブロックチェーンのルールに従っているかだけを確認すればよく、取引金額や参加者に関する情報を知る必要はありません。
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ZK-SNARKsを用いることで、Zcashは完全匿名かつ検証可能な取引を実現し、ブロックチェーンの安全性と非中央集権性を維持しながら、ユーザーのプライバシーと可用性を高めています。
しかし、Zcashのゼロ知識証明技術にはいくつかの限界もあります。まず、ZcashはUTXOモデルに基づいているため、取引情報は完全に隠されるのではなく、マスクされているにすぎません。このため、攻撃者は取引パターンやフローを分析して有用な情報を推測できる可能性があります。これがZcashのプライバシー保護レベルが完全ではない理由の一つです。
さらに、Zcashはビットコインとは独立したネットワークであるため、他のアプリケーションとの統合が困難です。これにより、より広範な応用が制限され、発展が阻まれています。Zcashは確かにプライベート取引を実現していますが、実際の利用率は高くありません。その一因は、プライベート取引のコストが通常の公開取引よりもはるかに高いことです。
出典：Ashish
ZK-STARKsの技術的優位性
ビットコインにZK-SNARKs技術を適用すれば、取引の匿名性とプライバシー保護は可能ですが、信頼できるセットアップや装置が必要であること、大量の計算・ストレージリソースを消費するといった欠点があります。これらの課題を解決するために登場したのが、ZK-STARKsのような新世代のゼロ知識証明技術です。
簡単に言えば、ZK-STARKsのプロセスは以下のステップで構成されます。
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証明者が証明したい計算を多項式方程式に変換し、秘密情報を変数として用います。
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証明者はこの方程式に対して一連の変換・簡略化を行い、より単純な方程式を得ます。
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証明者は簡略化された方程式をサンプリング・符号化し、低次元のベクトルを生成します。
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証明者はこのベクトルをハッシュ化・署名し、短い文字列として証明を生成します。
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検証者はこの文字列を受け取り、公開パラメータとアルゴリズムを用いてその正当性を検証できます。秘密情報や元の計算内容を知る必要はありません。
出典：Bing Ventures
ZK-SNARKsと比較して、ZK-STARKsには以下のような利点があります。
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ZK-STARKsは信頼できるセットアップを必要としないため、特定の生成装置を信用する必要がなく、セキュリティが向上します。
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必要な計算・ストレージリソースが少ないため、軽量デバイスや幅広いアプリケーションシナリオに適しています。ZK-SNARKsのように複雑な暗号化・復号演算を必要としないため、証明生成がより効率的です。また、並列処理や分散コンピューティングとの相性も良く、特定条件下では計算タスクをより高速に処理できます。
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ハッシュ関数、多項式演算など、より多くのアルゴリズムや操作をサポートでき、技術の拡張やアップグレードの可能性が広がります。
出典：Vitalik
ビットコインとZK-STARKsの統合
EC-STARKs技術
STARKs技術は、データを第三者と通信する際にそのプライバシーを保ちつつ、計算および検証データの処理をオンチェーン外に移すことができる新世代の暗号証明技術です。これによりスケーラビリティが向上します。ZK-SNARKsと比べて、量子コンピュータ攻撃にも耐性がある点でより進化しています。
EC-STARKsはSTARKsの次世代技術で、ハッシュ関数の代わりに楕円曲線を用いることで、ビットコインのスケーラビリティとセキュリティを向上させることを目指しています。この技術により、すでにイーサリアム上で実現されているスケーラビリティソリューションをビットコインと互換可能にできます。EC-STARKsを使えば、ビットコインプロトコルをオフチェーンで実行し、証明をSTARK内に保存することが可能です。
つまり、ビットコイン自体をSTARK内でシミュレートでき、同じ楕円曲線鍵を使って、ビットコイン基盤のトークン向けに高度に複雑なプロトコルを構築できます。EC-STARKs技術は、ビットコインのオフチェーンプロトコル上で動作しつつ、証明はSTARK内に保持されます。このアプローチは、ビットコインのスケーラビリティを高めるだけでなく、高度に複雑なプロトコルをビットコイン上に構築することで、プライバシー性も向上させます。
この技術は、ビットコインのスケーラビリティとプライバシーを全く新しいレベルに引き上げ、より優れたプラットフォームへと進化させます。開発者はビットコイン上でより複雑なアプリケーションを構築できるようになり、暗号資産市場におけるビットコインの地位をさらに確固たるものにします。
出典：Starkware
ビットコインにおけるZK-STARKsの応用展望
ZK-STARKsの応用は、ビットコインの保守的な設計哲学にも合致します。信頼できるセットアップを必要とせず、ハッシュ関数、Merkle木、多項式などを活用することで、透明性とセキュリティが向上します。ビットコインにおけるEC-STARKsの利点としては、取引詳細を公開する必要がないためプライバシーが向上する点、また大量のデータを小さな証明に圧縮できるため、ストレージ需要が減少する点が挙げられます。一方で、複雑な数学演算を実行する必要があるため、より多くの計算リソースを要する点、またビットコインの既存プロトコルやインフラと互換性を持つために、より多くの調整と標準化が必要という課題もあります。
技術実装の観点から見ると、ZK-STARKsの応用はライトノード、フルノード、検証方式などに分けられます。ライトノードはstark証明を用いてブロックヘッダー状態を高速同期できます。フルノードはUTXO状態に対する有効性証明を実行し、utreexo技術を用いて新しい形式でUTXO状態を表現することで、全UTXO状態を確認する必要がなくなります。検証方式としては、utreexoルートと最終状態が与えられれば、受信したブロックの検証を開始できます。
さらに、ZK-STARKsには多くの潜在的応用があります。たとえば、Taroプロトコルと組み合わせることで、ビットコインをより汎用的な資産に変え、応用範囲を広げられます。ZK-STARKsとTAROを統合すれば、TAROプロトコルのスケーラビリティが向上し、より多くの取引を処理でき、大規模アプリケーションをサポートできるようになります。これにより、TAROのマルチチェーン展開の道が開かれます。また、ビットコインのプライバシー問題に対して、ZK-STARKsは大幅な改善をもたらします。ZK-STARKsを用いれば、取引履歴全体を1つの取引に圧縮でき、ユーザーの取引情報を効果的に隠蔽できます。
出典：Bing Ventures
今後の注目ポイント
さらに踏み込むと、ZK-STARKsはビットコイン取引の検証に応用でき、取引のシリアライズ、二重SHA計算、secp256k1操作などを含みます。これらはビットコイン取引検証の核となる操作であり、ZK-STARKsを用いることで、検証プロセスの安全性と信頼性が極めて高まります。また、ビットコインの高速化Cairo組み込み機能の検証にもZK-STARKsが使えます。Cairoは効率的なゼロ知識証明システムであり、ビットコインの高速化Cairo機能と組み合わせることで、効率的かつ安全な取引検証が実現できます。
出典：Bing Ventures
ZK-STARKsは、Taroプリミティブや資産TLVシリアライズ、MS-SMTの実装・検証などにも応用できます。これらの操作により、ビットコイン取引のプライバシーとセキュリティが効果的に保護され、信頼性と真正性がさらに高まります。ライトニングネットワークはビットコインのレイヤー2ソリューションですが、ZK-STARKsと組み合わせることで、より効率的かつ安全な取引が可能になります。ZK-STARKsを活用すれば、取引のプライバシーを損なうことなく、ライトニングネットワーク上のビットコイン取引を迅速に検証できます。
ブロックチェーンインフラやdAppにおけるゼロ知識証明技術の採用が進む中、新たなソリューションが登場し、プライバシーとスケーラビリティの向上に貢献する可能性があります。しかし、ほとんどのプロジェクトはイーサリアムベースであり、ビットコインはゼロ知識証明分野で十分な注目を受けていません。さらに悪いことに、実装面では学術的成果に追いついていない状況です。この分野では、さらなる実装と探索が必要であり、より多くの注目と支援が求められます。
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