Coinbase：ゼロナレッジ証明のエコシステム全体像
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Coinbase：ゼロナレッジ証明のエコシステム全体像
本稿では、インフラ、ネットワーク、アプリケーションの3つのレイヤーからゼロ知識証明（ZKP）エコシステムを深く分析する。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Jonathan King
翻訳：TechFlow
ゼロ知識証明（ZKP）技術は、暗号分野における画期的な進展となった。本稿では、ゼロ知識証明技術の核心原理と実用的応用に加え、ブロックチェーンのスケーラビリティ、プライバシー保護アプリケーション、信頼不要な相互運用性などへの影響について深く考察する。2023年にはこの技術への投資がさらに拡大しており、ZKPは理論的な発展にとどまらず、実践面でも広範な応用可能性を示している。ここではインフラ、ネットワーク、アプリケーションの3つのレイヤーからZKPエコシステムを分析し、それがいかにブロックチェーン技術の新時代を切り開くのかを明らかにする。
概要
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ゼロ知識証明（ZKP）およびその派生技術は暗号学における画期的な成果であり、ブロックチェーン設計理念の究極的目标と広く見なされている。
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現在、ZKPはWeb3における未解決課題に対して有望な解決策として注目されており、ブロックチェーンのスケーラビリティ、プライバシー保護アプリ、信頼不要な相互運用性などが含まれる。
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2023年にはZKP技術への投資額が4億ドルを超え、その多くはイーサリアムL1/L2プロトコル層のスケーラビリティ、新興インフラ、開発者ツールに集中している。
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ZKP分野は以下の3つのレイヤーに分けられる：
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1）インフラ：ゼロ知識プリミティブ上にプロトコル／アプリケーションを構築するためのツール／ハードウェア
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2）ネットワーク：ゼロ知識証明システムを利用するL1／L2プロトコル
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3）アプリケーション：ゼロ知識メカニズムを利用したエンドユーザー向け製品
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ゼロ知識エコシステムはまだ初期段階にあるものの、急速な発展により、安全でプライベートかつスケーラブルなブロックチェーンソリューションの新たな時代が幕を開けることが期待される。
導入
ゼロ知識証明（ZKP）およびその派生技術は、ブロックチェーン設計の最終目標と広く認識されており、特にオンチェーンアプリケーションにおいて情報を検証する際にほとんど信頼前提を必要としないソリューションを提供する。ZKPの核となるのは、ある当事者（証明者）が別の当事者（検証者）に対して、計算が有効であることを、その計算を作成するための基礎データを一切開示せずに証明できるという暗号技術である。1985年に起源を持つZKPは、数十年にわたる停滞を経て、最近のソフトウェアツールやハードウェアの進歩によって理論から実用へと進化してきた。
今日、ゼロ知識証明はWeb3が直面する最大の課題に対して有望な解決策を提供している。主な課題は以下の通りである。
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ブロックチェーンのスケーラビリティ：イーサリアムL1が直面する最大の課題の一つがスケーラビリティである。しかし、L2ネットワークの登場により、イーサリアムのセキュリティや非中央集権性を損なうことなく、より高速かつ安価な取引が可能になっている。Optimistic RollupはEVMとの高い互換性と開発者フレンドリーさから依然主流を占めているが、ZK Rollupの採用は着実に増加している。ZKPは複雑な計算をオフチェーンで集約し、L2の設計を強化することで、迅速かつ効率的なオンチェーン検証と決済を可能にする。
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プライバシー保護型アプリケーション：これまでブロックチェーンにおけるプライバシーの取り組みは、主に取引の隠蔽に限定されていた。しかし研究者は、パブリックブロックチェーン上で完全な取引匿名性と機密性を実現しようとする方向に徐々に進んでいる。重要なことに、ZKPを活用した新しいプライバシー保護概念が登場しており、ユーザーのプライバシー保護とコンプライアンス（違法行為の防止）のトレードオフを打破することを目指している。
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信頼不要な相互運用性：既存のブロックチェーン間相互運用プロトコルは、信頼されたシステム（例：マルチシグまたは報酬付き検証者セット）に依存している。ZKPはこうした暗号経済的信頼仮定を暗号による保証で置き換えることで、より安全で堅牢なクロスチェーン通信の道を開く。ただし、ZKPの主要用途の中で、相互運用性は最も新興の領域である。
Messariのデータによると、2023年にはゼロ知識証明分野への投資が4億ドルを超えており、その重点はイーサリアムL1/L2層のスケーラビリティと新興のZKP開発者インフラに置かれている。ZKPは比較的新しい分野ではあるが、その急速なエコシステムの発展は、より安全でプライベートかつスケーラブルなブロックチェーンアプリケーションのベストプラクティスが近い将来収束することを予兆している。このような枠組みに基づき、層別化されたZKP分野を詳しく見てみよう。主要プレイヤーと新興概念を探る。
インフラ
あらゆる形態のゼロ知識証明は算術回路言語で記述されなければならないが、この言語は表現力に限界があり、ほとんどのブロックチェーン関数を回路形式に変換するのは非常に複雑である。開発者ツールや高度なハードウェアの制約により、ZKPの実用的な応用はようやく最近になって始まったばかりだった。現在では、開発者がゼロ知識暗号基盤の上にプロトコルやアプリケーションを構築できるようにする一連のシステムやツールが登場している。
プログラミングフレームワークとツール：Leo、Noir、Cairo、o1jsなどのドメイン特化言語（DSL）は、それぞれAleo、Aztec、Starkware、Minaといった特定のL1/L2エコシステム内でゼロ知識証明可能なプログラムを開発するためのプログラミングフレームワークである。また、ElusivやHinkalのような汎用フレームワークも登場しており、開発者が特定の基準を定義して取引データをオンチェーンでマスクしつつ、ゼロ知識証明で検証できるようにすることを目指している。ZKP駆動型アプリに対する潜在的な開発者やエンドユーザーの需要が高まるにつれ、これらのフレームワークの採用は今後も増加すると予想される。
ゼロ知識コプロセッサ：ゼロ知識コプロセッサは、開発者に低コストかつ信頼不要なオフチェーン計算能力を提供し、技術スタック内で複雑なZK関連コンポーネントを扱う必要を排除する。RiscZero、Axiom、Herodotusなどのチームは、任意のプログラムの実行とその有効性を証明する「検証可能計算」プラットフォームを提供している。あるいは、追加の信頼前提なしにスマートコントラクトが過去のオンチェーンデータを保存・アクセス・検証できるようにするものもある。時間とともに、ゼロ知識コプロセッサはますます高度化するオンチェーンアプリケーションにとって不可欠なものになると期待される。
証明ネットワーク／マーケット：現在、ほとんどのゼロ知識ネットワークやプロトコルは集中化された証明プロセスに依存している。ZKPの採用が進むにつれ、チームは自身の証明層を非中央集権化して可用性と検閲耐性を高めようとするだろう。nil; Foundation、RiscZero、Gevulot、Lumozなどが提供する新興の証明ネットワークやマーケットは、アプリが証明メカニズムを第三者のオペレーターにアウトソーシングできるようにし、ZKPインフラ運営のオーバーヘッドを削減することを目指している。
ハードウェアアクセラレーション：ゼロ知識証明の生成には大量の数学的計算が必要で、コストが高く計算負荷も大きい。しかし、FPGA（現場プログラマブルゲートアレイ）やASIC（特定用途向け集積回路）といった専用ハードウェアの利用において顕著な進展が見られている。これらは証明生成と検証の時間を改善するのに貢献している。Ingonyama、Cysic、Fabricといった専門ハードウェアプロバイダーは、ZK証明システム向けにFPGAおよびASICを提供する最前線に立っており、今後ZKハードウェア設計に関する革新と投資はさらに増加すると予想される。
アプリケーションチェーンインフラ：Spire、ProtoKit、LumozなどのRollup-as-a-Service（RaaS）プロバイダーは、ゼロ知識証明メカニズムを活用した汎用または特定アプリ向けL2/L3チェーンを構築・テスト・展開するためのローコードツールを提供している。Espresso、Radius、Madaraのようなソータライザーは、ユーザー取引を受け入れ、順序を決定し、ブロックをL1のコンセンサスおよびデータ可用性レイヤーに発行するインフラを提供する。我々は、イーサリアムのスケーラビリティの次世代がモジュラーなL2 rollupスタックによって推進されると考えており、短期から中期的にはこれらのプロバイダーに需要が生まれると予想している。
相互運用性とブリッジ：人間（マルチシグや報酬付き検証者セットなど）への依存を減らすことで、ブリッジシステムはより信頼最小化され、コード（軽量クライアント、リレー、ゼロ知識証明など）によって信頼を代替するようになる。Polyhedra、Lambda Class、Polymer Labsなどのチームはこのテーマを探索している。ZKPの主要用途の中でも相互運用性は最も新興の分野だが、ZKP基盤へのアクセスが加速するにつれ、ブリッジ設計理念の革新がさらに見られると予想される。
ゼロ知識機械学習（ZKML）：ZKMLは、ゼロ知識証明を使ってオンチェーンの機械学習（ML）モデル推論の正しさを証明することに焦点を当てる、暗号学の最先端分野である。ML機能を追加することで、スマートコントラクトはより自律的かつ動的に変化でき、リアルタイムのオンチェーンデータに基づいて意思決定を行い、契約作成時には予見できなかった状況にも適応できるようになる。Modulus Labs、Giza、Zamaなどのチームは独自のZKMLユースケースを先駆けて開拓しており、AIと暗号技術の交差点で有望な相乗効果を生み出す可能性がある。
ネットワーク
一部のブロックチェーンは高トラフィック処理に限界があり、取引速度が遅くなり、需要ピーク時にはコストが上昇する。また、ビットコイン、イーサリアム、ソラナなどの人気ブロックチェーンは公開されたパブリック台帳に基づいているが、プライバシーの欠如は、完全な取引匿名性と機密性を求める主流参加者から懸念されている。新たなL1およびL2ネットワークが登場しており、ゼロ知識証明インフラを採用して、ブロックチェーンのスケーラビリティとオンチェーンプライバシーに関連する問題を解決しようとしている。
プライバシー重視L1：Aleo、Mina、IronFishといった新興L1ネットワークは、ゼロ知識証明に基づくプライバシー優先のスマートコントラクト機能を提供し、それぞれのエコシステム内のDAppsにアプリケーションレベルのプライバシーをもたらす。FhenixやIncoといったL1ネットワークは完全準同型暗号（FHE）を採用しており、開発者が秘密のスマートコントラクトを書き、暗号化されたデータ上で計算を実行できるようにし、完全な取引匿名性と機密性を実現する。多くの上述L1がインセンティブ付きテストネットを進行中であり、開発者が新しいプログラミング言語を学ぶ必要があることから、大規模な採用と価値獲得の兆候は1～2年かかる可能性がある。
ZK-EVM：ZK-EVMは、イーサリアム風の取引実行に対してゼロ知識証明による暗号的証明を行う。zkSync Era、Polygon zkEVM、Linea、Scroll、Taikoなどの異なるタイプのZK-EVMは、EVM互換性とパフォーマンス（証明生成時間など）の間に異なる設計上のトレードオフを持つ。今後もこの分野での革新が続き、イーサリアムおよびイーサリアムベースのZK rollupの拡張が進むと予想される。
ZK-Rollup：ゼロ知識rollupは、計算をオフチェーンに移し、オンチェーンでのステート変更をゼロ知識証明で証明するL2スケーリングソリューションである。AztecのようなZK-rollupは「イーサリアムの上でのプライバシーエンジン」として機能し、取引データを暗号化しつつコストを抑えることを目指している。Mina上に構築される新規ZK-rollupスタックZekoは、アプリケーションが再帰的に検証し合い、相互に組み合わせることを可能にする。ImmutableXとLayerNは、ゲームおよび高性能DeFi用途向けのアプリ固有ZK rollupである。現在、OptimisticベースのrollupがL2市場の約90％を占めているが、基盤技術がますます使いやすくなるにつれ、ZK-rollupの需要は増加すると予想される。
アプリケーション
ZKインフラおよびネットワーク層の上に、オンチェーン決済、認証、プライベートだがコンプライアンス対応のDeFi、消費者向けユースケースなどにゼロ知識証明を利用するエンドユーザー向けアプリケーションが登場している。
Elusivなどのチームは、マスクされたアドレスを用いたプライベート決済およびDeFi取引をユーザーフレンドリーなインターフェースで提供しており、同時に違法活動と特定された者の取引をデコードするコンプライアンス機構を採用している。認証分野では、zCloak、ZKPass、zkp-IDがゼロ知識証明を用いて、個人情報を開示せずにサードパーティに検証可能なデータを証明できるようにしている。
LuminaやPantherといったDeFiプロトコルは、プライベートだがコンプライアンス対応の分散型取引所の構築に注力している。Renegadeは、マルチパーティ計算（MPC）とZK技術を組み合わせ、オーダーブックを隠蔽するダークプール取引を提供する。これはオンチェーン取引所で、大口機関や大額取引者が市場全体に活動を露呈することなく注文を執行できる場である。
SealcasterやDark Forestといった消費者アプリは、SNSやゲームアプリでゼロ知識証明を活用し、ユーザーの身元やゲーム戦略を他のオンチェーン参加者に知られないようにしている。
ZKの未来
ZKの未来は、速度の重視、ハードウェア要件の低減、開発ツールの改善、および非中央集権的な証明生成をサポートする新型ゼロ知識証明設計にかかっている。Optimisticとゼロ知識の両方の拡張ソリューションはrollup取引の検証に使用されるが、それぞれセキュリティ、遅延、計算効率において設計上のトレードオフがある。中長期的には、多様なオンチェーンアプリケーションに対応するため、これら二つの技術スタックが融合していくと考えられる。最後に、ゼロ知識アプリケーション層は現時点ではまだ芽生えの段階にあるが、エンドユーザーがパブリックブロックチェーン上でのプライバシー保護に対する需要を高めていくにつれ、今後成長すると予想される。また注目に値するのは、ZK研究が主にイーサリアム文脈で進められてきた点である。しかし、SolanaのToken22計画における秘匿送金（SPLトークン残高と送金額をZKPで暗号化するプライバシー機能）といった新興概念は、ZKPが特定エコシステムを超えた適応性と可能性を持っていることを示している。
まとめると、ゼロ知識の変革的ポテンシャルは現在進行形で展開されており、ブロックチェーンソリューションがセキュリティ、プライバシー、スケーラビリティの面で今後さらに顕著な進化を遂げることを予兆している。
注：Coinbase Venturesが投資しているプロジェクトは上記ZKP分野に含まれる：Aleo、Anoma、Aztec、Consensys、Espresso、Elusiv、Mina、Polygon、Polymer Labs、Starkware、Sunscreen、zCloak、zkLink、zkSync
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