ZKApps 101：ZKアプリケーションの全体像と現在の発展状況
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ZKApps 101：ZKアプリケーションの全体像と現在の発展状況
なぜ今 ZKApps に注目すべきなのか？
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察著者：YIWEI
翻訳：TechFlow
概要
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現在のゼロ知識（ZK）エコシステムは、二つの主要な基準に基づいて分類できる。すなわち、それがアプリケーションとして機能するかインフラとして機能するか、またプライバシーを重視するか実用性とスケーラビリティに注力するかである。
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これらの分類の中では、ZKアプリケーション（ZKApps）はゼロ知識証明を利用してプライバシーと実用性を強化するアプリケーションである。ZKAppsは、認証情報、支払い、バイオメディカル工学などの分野で私たちの生活を改善できる。
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投資動向とオンチェーンデータは、ゼロ知識証明（ZKP）の需要が高まっていること、一般ユーザー層が関連アプリを受け入れ始めていることを示している。
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暗号証明システムと分散型証明インフラの技術的進歩により、ZKAppsはより実用的かつ現実的なものとなっている。これらの発展により、ZKP生成および検証のハードルが低下し、より多くの人々がZKAppsを利用できるようになった。
1. はじめに
なぜ今ZKAppsに注目すべきなのか？
ブロックチェーンおよびWeb3業界において、ゼロ知識（ZK）技術をめぐる熱狂は数年にわたり続き、2024年下半期まで続いている。Vitalik Buterinが述べたように、「さらなるインフラ開発と証明者の最適化が必要ではあるが、10年以内にはZKが明確な終着点となるだろう」。ZKは、セキュリティ、スケーラビリティ、分散化の三つを犠牲にすることなくバランスを取るという「ブロックチェーンの三難問題」を解決する有望な技術とされている。
この熱狂の中で、技術的専門知識の有無にかかわらず多くの投資家がSNARKs、STARKs、KZGといった用語を耳にしたことがあるだろう。これらは特にイーサリアムコミュニティでの研究・開発において高度な技術領域である。しかし、消費者の視点からは避けられない基本的な疑問が浮かぶ。「ZKはすごい技術だと理解しているが、実際にそれを活用した製品はいつ使えるのか？また、この技術は既存の非Web3ソリューションに代わるほど成熟しているのか？」
数年前であれば、この問いへの答えは「まだわからない」だったかもしれない。Vitalikが指摘する通り、ZKベースのアプリケーション（ZKApps）を実際に稼働させるためのインフラや暗号証明技術は不十分であり、開発には課題があった。しかし、2024年現在、改善の余地は大きいものの、顕著な技術的進歩が達成され、ZKAppsの商用化の基盤が整いつつある。そのため、我々は今こそ、ZK技術が本当に必要とされる分野を特定し、それをどのように活用して生活の質を向上させられるかを考えるべきである。投資家の観点から言えば、将来的に広く採用されるZKAppsのカテゴリを研究することは、新たな投資機会につながる可能性もある。
Presto ResearchとOcular VCによる共同ZK研究では、市場トレンド分析と両研究グループの先端技術洞察を活用し、ZKApp業界の概要と展望を提供する。第2部では、現在のZK採用エコシステムについて紹介し、注目を集めているZKインフラおよびZKAppsを強調する。第3部ではZKAppsの発展史に焦点を当て、その必要性と実際の利点を議論する。第4部では、2024年時点でのZK業界における投資動向とオンチェーンデータ分析を検討し、なぜZKAppsが次なる主要トレンドになる可能性が高いのかを説明する。最後に第5部では、ZKAppsを実用化し主流化するためにこれまでに行われてきたインフラに関する研究開発努力と技術的成果を考察する。
2. 現在のZK採用エコシステム
現在のZK採用エコシステムは複数の基準で分類できるが、ここでは以下の基準に基づいて大まかに分類する。すなわち、サービスがインフラとして機能するかアプリケーションとして機能するか、そしてプライバシーを優先するか実用性を重視するかである。
図1：現在のZK採用エコシステム
出典：Ocular VC
2.1. ZKインフラストラクチャ
タイプ1：プライバシー重視型インフラ
このカテゴリのサービスは、多くのZKPプロバイダーが依然としてトランザクションを確認できる能力を持ち、機密データが漏洩するリスクがあるため、ZKシステム内のプライバシー問題を主に解決することを目的としている。言い換えれば、クライアントがZKPプロバイダーにトランザクションを提出してZK証明を作成する過程で、プライバシーの漏洩が通常発生する。したがって、このようなプライバシー重視型インフラは、証明者レイヤー（第5.2節で詳しく説明）と仮想マシン（VM）コンポーネントを通じて、アクセス制御を強化し、エンドツーエンドのデータプライバシーを確保できる。代表的な例としては、Ingonyama、Succinct、Espressoなどがある。
タイプ2：実用性重視型インフラ
ZK技術はプライバシー保護だけでなく、ZKAppsの実用性も向上させる。優れた例がZK L2（すなわちZK-rollup）である。現在のZK L2では、エンドツーエンドのトランザクションプライバシーを保証する事例は非常に少ないことが知られている。しかし、Taiko、zkSync、Intmax、ZekoといったZK L2チェーンは、ZK技術の簡潔性を活かし、数千件のトランザクションの有効性を単一のZK証明に統合してL1に提出することで、ブロックチェーンのスケーラビリティを大幅に向上させている。実用性重視のもう一つのユースケースは証明者レイヤーである。証明者レイヤーとは、計算能力を提供するエンティティであり、デバイス性能が低いユーザーがZKP生成および検証プロセスに参加できるよう支援する。現在、RiscZero、Cysic、Irreducible、Aligned Layerなどがこの分野で活動している。
2.2. ZKアプリケーション
タイプ3：プライバシー重視型アプリケーション
プライバシー重視型アプリケーションは、「ZKアプリケーション」と聞いて最初に思い浮かぶユースケースであることが多い。こうしたサービスは主にZK技術のゼロ知識特性を活用し、プライバシーを最優先する。この特性は、KYC、検証、認証情報など、機密の個人情報を扱う分野で広く使われており、顧客のプライバシーを保護する。現在注目すべきプロジェクトには、zkPass、Lumina、0xKYC、zkMeがある。この分野は安全なウォレットやメールなどにも拡大しており、ZKSafeやzkEmailなどが例として挙げられる。
タイプ4：実用性重視型アプリケーション
実用性重視型アプリケーションは主にZK L2上での動作を前提としている。現在、分散型金融（DeFi）関連のアプリケーション、すなわち分散型取引所（DEX）や貸借プラットフォームがこの分野を支配している。ZK L2はプライバシーを保証しないものの、これらのアプリはZK L2の実用性を活かして高速かつ低コストのトランザクション処理を提供しており、これはDeFi分野にとって極めて重要である。現在運営中の顕著なアプリには、zkFinance、ZKX、zkEra Finance、zkLend、eZKaliburがある。
3. ZKApps：起源と進化
3.1. モダンZKエコの道筋
ゼロ知識証明（ZKPs）は、ブロックチェーン業界において変革的な技術となり、プライバシーとスケーラビリティの画期的な進展をもたらしてきた。ZKPsは暗号学的研究に由来し、理論的概念から実用的なZKアプリケーション（ZKApps）へと進化し、分散型金融（DeFi）、サイバーセキュリティなどの分野の様相を大きく変えている。
ZKPの起源
ZKPの概念は1985年にShafi Goldwasser、Silvio Micali、Charles Rackoffによって初めて提唱された。当初は暗号学における理論的ブレイクスルーであり、知識自体を明らかにせずにその知識を持っていることを証明できる能力を示したものであった。ZKPsはパスワードを含む認証システムに特に有用であり、パスワードを暴露せずに検証を行うことができる。ネットワークインフラ企業Cloudflareは、サプライヤーハードウェアを活用して安全なネットワーク検証を行うためにZKPメカニズムをすでに採用している。
ブロックチェーン技術への移行
ZKPとブロックチェーン技術の統合は、その進化における重要な転換点となった。初期の採用例の一つがZcashであり、ZKの概念を支払いシステムに導入し、エンドツーエンドのトランザクションプライバシーを実現した。ZKPsにより、送信者、受信者、金額を明かさずにトランザクションを検証できる（つまり、送信者が十分なコインを持っており、二重支出していないこと）。このユースケースは、ZKPsをブロックチェーンプラットフォームに直接統合する可能性を際立たせ、魅力的な応用例を提示した。
zkSyncやStarknetといったイーサリアムL2ソリューションの初回展開とともに、ZKP統合の拡大は勢いを得た。これらのプラットフォームは、ブロックチェーンシステムで一般的な低TPS率のボトルネックを解決するためのスケーリングソリューションとしてZKPsを活用している。こうした文脈において、ZKPsの成功した実装は、既存インフラを活用してプライバシーと効率を高めるより多くの実用アプリを開発する興味を喚起した。
近年、インフラが固まり成熟してくるにつれ、注目はZKAppsに移りつつある。次のセクションでは、ZKAppsの詳細とその利点について議論する。
3.2. ZKAppsの定義と利点
第2章で簡単に紹介した通り、ZKAppsとはZKPsおよびZKインフラを活用してトランザクションを生成するアプリケーションであり、主な目的は1) ユーザープライバシーの保護、および/または2) 効率性の向上である。
プライバシー面に注力するアプリケーションは、公共チェーン上にトランザクションデータを保存しない傾向にある（KYC手続き、遺伝子検査、機密個人データなど）。これにより、魅力的なユースケースが生まれる。ZKPsを活用すれば、こうしたデータは公開されることなくローカルデータベースに安全に保存できながら、グローバルに検証可能となる（例：Aliceの血液型がB型であること、Bobが20歳以上であることを証明）。このアプローチは、責任と透明性が求められながらもプライバシーに配慮するアプリケーションに特に有利である。このテーマに取り組んでいるプロジェクトには、zkPass、nuAuth、BioSnarkなどがある。
不丹は中国とインドの間に位置する小さなアジアの国だが、近年、全国規模でZKPsを活用してデジタルIDインフラを構築している。この方法により、政府はデータ管理を容易にしつつ、他国のデータプライバシー規制に違反することなく越境検証を可能にしている。
興味深いことに、このZKPの利用は信用融資システムや本人確認メカニズムにさらに応用でき、国際協力や共有デジタルサービスにおける信頼を促進できる。例えば、USDTローンはZKPsを活用してオフチェーン信用を保護・検証できる。この手法により、ステーブルコインを用いたオンチェーンでの無担保ローンの発行がさらに促進される可能性がある。ZKPsのこうした応用は、信用評価やローン供与の方法を根本的に変え、安全性と信頼性を高めると同時に、金融サービスへのアクセスを拡大するかもしれない。
まだ深く探求されていない分野もある。例えばGambleFiでは、この手法が特に有益になり得る。ZKPは裏付けデータを公開せずに結果や行動を暗号的に検証することで、公正で不正防止可能なギャンブルを実現する。例えば、ベッティングプールを作成し、ユーザーの貢献と賞金は匿名のままにする一方で、プールの総額と分配状況は検証可能にできる。こうした利点により、信頼性を高め、よりプライベートでスケーラブルなギャンブル体験を提供することで、より多くのユーザーがGambleFiに参加するようになるだろう。
もちろん、ZKPの利用はこれらに限定されない。上記のユースケースに加えて、SNSに導入することでコンテンツクリエイターの匿名性を守ることもできるし、自分の攻略法を共有したくないトッププレイヤーもこの技術の採用を歓迎するだろう。したがって、ZKPが日常生活のさまざまな分野で既存手法よりも進んだサービスを提供できるかを研究する動きが進んでおり、今後も新たなユースケースが見つかっていくだろう。
4. 分析：なぜZKAppsが次のトレンドなのか
このセクションでは、データ分析を通じて、なぜZK業界の主要トレンドがインフラからアプリケーションへと移行しているのかを考察する。4.1節では、2024年の投資動向に基づき、なぜZKAppsが次なる有望なトレンドなのかを分析する。4.2節では、オンチェーンデータを根拠として、実際のZKAppsに対する顧客需要がどう増加しているかを検証する。
4.1. 投資動向
ZK業界の投資履歴を振り返ると、重要な投資の大半がZKインフラ（ZK L1/L2やハードウェアアクセラレーションなど）に集中していることがわかる。zkSync、Starknet、Aleo、Cysicsなどのプロジェクトが含まれ、この市場への累計投資額は10億ドルを超え、多くのプロジェクトが今後数四半期以内に製品をリリースしようとしている。このトレンドは2024年にも継続しており、上位5件のZK関連資金調達取引の堅調なパフォーマンスがそれを示している（図2参照）。上位5件中4件の取引額が1500万ドルを超えている。注目すべきは、上位5件中4件が証明者レイヤーに関連しており、1件がL2ソリューションに関連していることだ。
では、なぜ証明者レイヤーがこれほど注目されているのか？第3節でも触れた通り、証明者レイヤーはZKPs需要の増加を支える鍵となる構成要素であり、デバイス性能が低いユーザーでもZKP生成・検証プロセスに参加できるようにする。証明者レイヤーへの需要増加は、ZKPsの需要が著しく高まっていることを示しており、より多くの人々がZK L1/L2を使ってトランザクションを生成したいと考えていることを意味する。
図2：2024年ZK投資動向
出典：Cointelegraph, The Block, Ocular VC
ZK L1/L2チェーン上のトランザクション需要増加には二つの解釈が可能である。第一に、ZKAppsの需要増加により、より多くのトランザクションが基盤となるZKチェーンに提出されている。第二に、過去2年間のZK L1/L2のメインネット立ち上げにより、ZKチェーン上の送金量が大幅に増加し、結果としてトランザクション数が増えている。どちらの解釈が正しいとしても、ZKAppsの将来性は楽観的である。前者の場合、より多くの人がZKAppsを使いたいということであり、後者の場合、より多くの人々が基盤ZKチェーンを使うことで、エコシステムとインフラが成熟し、ZKApps開発に好都合な環境が整いつつあることを意味する。
4.2. オンチェーンデータ分析
次に、オンチェーンデータ分析を通じて、ZKApps需要の増加を直接確認してみよう。データによると、過去1.5年間でZKP検証プロセスに使用された累計費用は1.98億ドルを超え、ZKPsに対する需要が過去数年と比べて著しく増加していることが示されている。さらに重要なのは、この成長の大部分がZKAppsの需要によるものだということである。ZKP検証費用の用途をインフラとZKAppsに分解すると、ZKAppsの割合が過去の40%から2024年には70〜80%に上昇していることがわかる。これらのデータは、最近のZKPs需要の急増が主にZKAppsに起因していることを証明している。
図3：ZKPs検証費用の動向
出典：dune.xyz@nebra, Ocular VC
5. 技術進歩がZKAppsを現実にする
ここまで、ZKAppsの定義、注目すべき主要ユースケースの特定、ZK業界のトレンドがインフラからアプリケーションへと移行している理由について考察してきた。こうしたZKAppsの実現可能性は明らかに技術進歩に依存しており、それらを実用可能なものにしている。前述の通り、ZKインフラは成熟しており、これらの技術を効果的に活用できるZKAppsは今後数年間でブロックチェーン/Web3業界の主流となるだろう。では、具体的にどのような進展がこれを可能にしたのか、そして今後どのような進展が予想されるのか？
5.1. ZK証明システム
まず、ZK証明システムの進展について議論する必要がある。その複雑さゆえに、技術的背景を持たない人にとっては、どのプロセスがどのような暗号技術を採用しているのか、またそれらの技術改良がどのようにZK証明システムを強化しているのか理解しにくい。そこで本節では、ZK証明システムにおける顕著な進展をハイライトし、わかりやすい比喩を用いて説明する。要するに、これらの進展は二つの主な利点をもたらしている。「サポート機能の拡張」と「計算プロセスの最適化」である。
より多くの機能をサポート：ドメイン特化言語（DSL）
ZK証明システムにおけるドメイン特化言語（DSL）とは、ZKエコ内で特定のタスクを処理するために特別に設計されたプログラミング言語である。こうした言語は、ZK操作向けに最適化されたカスタム構文と機能を提供することで、ZKP作成を大きく豊かにする。現在、Leo、Zinc、Cairo、Noir、ZoKratesなどのDSLが研究・開発され、可変変数、条件文、配列など、より多くの機能をサポートしようとしている。
これは、Bobが合法なレシピを使ってケーキを作ったことをAliceに証明したいが、レシピ自体は明かしたくない場合に似ている。まずBobはレシピを準備しなければならず、そこにはケーキを作るすべての高レベルな手順と必要な材料（例えば、材料を混ぜて生地にし、それを焼く）が含まれていなければならない。もしBobがより洗練された材料や調理テクニックを使えるなら、なお良い（図4参照）！
図4：DSLがZKPの多機能性をサポート
出典：DALL E, Presto Research
計算プロセスの最適化：算術化、証明システム（IOP+ FCS）
DSLでプログラムを書いた後、それは算術化や証明システム（インタラクティブオラクル証明（IOP）や機能コミットメントスキーム（FCS）を含む）などのプロセスを経て、ZKPsに変換される。こうしたプロセスにおける共通の課題は、計算オーバーヘッドを最小化し、ZKP生成・検証プロセスをより多くの人に利用可能にすることである。
計算オーバーヘッドを削減する試みの中で、最も直感的な方法は証明システムにおけるフィールドサイズを小さくすることである。ここでいうフィールドサイズとは、ZKP生成プロセスで使用される数学的フィールドの大きさを指す。簡単に言えば、秘密コードを作成するために使えるすべての可能な値の総数を表す。フィールドサイズが大きいほど、コードを推測するのは難しくなるが、生成にかかる時間も長くなる。Groth16、Plonk、Halo2などの有名な暗号証明システムは、ZKPに詳しくない人でも聞いたことがあるかもしれないが、通常256ビットのフィールドサイズを使用している。しかし、技術の進歩により、最近の証明システムであるGoldilocksやPlonky3は、安全性を損なうことなく31〜64ビットのフィールドサイズを使用している。最先端の証明システムBiniusは、フィールドサイズとして1ビット（0と1）のみを使用することで、計算速度を大幅に向上させている。
5.2. 分散型証明インフラストラクチャ
もう一つ議論に値する技術的進歩は、分散型証明インフラの発展である。ZK証明システムの進歩は計算量を削減することで証明生成・検証プロセスを最適化・簡素化するが、分散型証明インフラは、ZKPs生成のために強力な計算能力を外部に委託できるようにする。
現在、ZK業界で分散型証明インフラを実装する主なアプローチは二つある。一つはZKベースのチェーンが独自の内部証明レイヤーを構築する方法、もう一つは異なるチェーンやアプリケーションからのZKP生成要求を処理するための委託型証明レイヤーを運営する方法である。
内部証明レイヤー
内部証明レイヤーのモデルでは、ZKP生成エンティティ（すなわち証明者）は特定のチェーンに所属している。内部証明レイヤーの最大のボトルネックは起動プロセスにある。チェーン開発者が経済的にすべてのネットワークユーザーにシームレスな証明レイヤーを提供するのは困難なため、通常、ネイティブトークンを報酬として提供するプロトコルを展開し、計算能力を持つ個人や団体に証明レイヤーへの参加を促す。
内部証明レイヤーを運営する代表的なプロジェクトは、ZK Layer 1ブロックチェーンであるAleoである。ビットコインのPoWと同様に、Aleoは各ブロックに対して特定の閾値（「証明ターゲット」）を満たすZKPsを証明者が生成することを要求する。累積証明の合計が「Coinbaseターゲット」を超えた場合、coinbase報酬（Aleoトークン）は証明者の貢献度に応じて分配される。このマイナー証明プロトコルは、ZKPsをサポートするためのより高速なソフトウェア・ハードウェア開発を促進し、証明者報酬の広範な分配を通じて証明エコシステムの分散化を実現できる。
委託型証明レイヤー
一方、委託型証明レイヤーはブロックチェーンの外に位置し、さまざまなZKベースのチェーンやZKAppsからの要求に応じて計算能力を提供する。これはCelestiaのようなモジュラー型ブロックチェーンに似ているが、ZKP生成機能を備えている。こうした委託型証明レイヤーは通常「証明市場」として運営される。顧客がZKP生成を必要とするトランザクションを提出し、証明者は自身の証明サービス（ZKP生成能力とコストを含む）の入札を行う。
現在、委託型証明レイヤーを運営している代表的なプロジェクトには、=nilとGevulotがある。=nilは各回路ごとに注文簿を維持しており、ユーザーの買い注文と証明者の売り注文が含まれる。証明の価格発見はこの注文簿メカニズムを通じて管理される。Gevulotはプルーフ・オブ・ステーク（PoS）方式で運営される：証明者はステークを預け、作業証明タスクを完了しなければ参加できない。入札システムに加えて、証明生成作業は公平性を確保するために検証可能ランダム関数（VRF）によってランダムに割り当てられる。
しかし、委託型証明レイヤーのアプローチには大きな問題もある。証明者に提出される時点で、証明要求に含まれるトランザクションデータは未封印のため、エンドツーエンドのプライバシーを維持するのが難しい。この問題を解決するために、MarlinやzkPassなどのプロジェクトは、データ完全性を保護する環境であるセキュア・エグゼキューション・エンクレーブ（TEE）を活用し、ZKP生成プロセス中にプライバシー漏洩がないようにしている。
図5：分散型証明インフラ概要
出典：Presto Research
結論
ここまで、ZK業界全体の採用状況、ZKAppsがもたらしうる利点、なぜZK業界の主要トレンドがインフラからZKAppsへと移行しているのかの証拠、そしてZKAppsの台頭を支える技術的進歩を考察してきた。暗号証明システムと分散型証明インフラの発展により、ZKAppsはより迅速かつ経済的に利用可能になり、ゼロ知識技術が日常に近づいた。
ブロックチェーン/Web3業界は、実際の市場ニーズよりも投資家を惹きつけるために過剰に宣伝された技術の開発で批判されることが多い。こうした批判を乗り越えるためには、開発者が私たちの生活を真に改善する方法で技術を前進させる必要がある。しかし、ユーザー側にとっても、この技術がどの分野に効果的に適用できるかを常に評価することが同様に重要である。本稿が読者にZKPとZKAppsに対する広範な理解を提供し、この業界への自主的な調査（DYOR）への参加を促すことを願っている。
今後登場するPresto ResearchとOcular VCの共同シリーズでは、本稿で言及した技術的進歩を基盤とする一連の先端ZK関連プロジェクト（プライバシー畳み込み、クライアントサイド証明、プライバシー保護証明レイヤーなど）を紹介する予定である。ぜひご期待ください！
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