ゼロ知識証明：それらはどれほどの変革をもたらすのか？
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ゼロ知識証明：それらはどれほどの変革をもたらすのか？
ゼロ知識証明技術は1980年代に最初に提案されたものの、計算技術、暗号技術、ブロックチェーン技術の進歩により、最近になってようやく実用化可能となった。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：0xKira
翻訳：Block unicorn
暗号学とブロックチェーンが進化する中で、ゼロ知識（ZK）証明ほど大きな注目を集めたイノベーションはほとんどない。かつてコンピュータサイエンスの理論論文の中の難解な学術概念にすぎなかったゼロ知識証明は、今や紙上の議論から本番ネットワークへと急速に移行し、次世代の暗号インフラの基盤となりつつある。
ゼロ知識証明の核心は、「検証には情報の開示が必要である」というデジタルシステムにおける長年の前提に挑戦している点にある。アプリケーションへのログイン、身元の確認、取引の承認など、従来は信頼を得るために何らかの情報を開示する必要があった。ゼロ知識証明技術はこのトレードオフを打破し、裏側の情報を一切開示せずに、身元やデータ、計算に関する事実を証明することを可能にする。
プライバシー保護に加えて、ゼロ知識証明はスケーラビリティ、相互運用性、信頼不要の検証をグローバル規模で実現できる。ZK ロールアップによるブロックチェーンのスループット拡張から、プライバシー保護型のIDおよびコンプライアンスシステムまで、ゼロ知識証明は暗号分野の可能性を再定義しつつある。
概要
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ゼロ知識（ZK）証明は、基礎となるデータを開示せずに、身元、残高、取引の有効性などを検証できる。
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ゼロ知識証明技術は1980年代に初めて提唱されたが、計算能力、暗号技術、ブロックチェーン技術の進歩により、最近になってようやく実用的になった。
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ZK 証明は、プライベート取引、分散型ID、DAO投票、クロスチェーン相互運用性を支えるとともに、ZKロールアップによって数千の取引を単一の証明に圧縮することで、イーサリアムのスケーリングを実現する。
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計算負荷が高いものの、ZKロールアップアルゴリズムは即時確定性、低コスト、強固なセキュリティを備えており、Optimistic系ソリューションよりも優位である。
ゼロ知識証明とは何か？
ゼロ知識（ZK）証明とは、一方（証明者）が他方（検証者）に対して、ある命題が真であることを、その命題がなぜ真であるか、あるいは追加情報を一切開示せずに証明できる暗号技術である。
たとえば、アリスがボブに対して、洞窟内の隠し扉のパスワードを知っていることを証明したいが、パスワード自体は教えたくないとする。アリスは洞窟に入り、扉を開けて反対側から出てくる。ボブは彼女がどのようにしたのかを見ることはできないが、パスワードを知っていることは確信できる。
ゼロ知識証明の古典的な比喩 ―― Chainlink
従来の検証には、ID情報、パスワード、データなどの何らかの情報開示が必要だった。ゼロ知識証明はこのモデルを覆し、データ自体を露出させることなく、身元、真正性、所有権を証明できる。
デジタルシステムにおいて、これは以下のようなことを意味する：
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生年月日を開示せずに、18歳以上であることを証明できる。
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ウォレット残高を開示せずに、資金があることを証明できる。
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取引内容を開示せずに、取引の有効性を証明できる。
「情報を開示せずとも証明できる」この能力は、プライバシー、安全性、透明性を両立するシステムの基盤であり、ゼロ知識証明はまさにこの二面性を同時に満たすものである。
仕組みは？
ゼロ知識証明は高度な数学的構造と暗号プリミティブに依存しているが、概念的には以下の3つの基本的性質に帰着する：
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完全性（Completeness）：命題が真であれば、誠実な証明者は検証者をその真実性について納得させることができる。
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健全性（Soundness）：命題が偽であれば、不正な証明者がいかなる手段を用いても、検証者を騙して真だと信じさせることはできない。
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ゼロ知識性（Zero-Knowledge）：検証者は、命題が真であること以外、他の情報を何も得られない。
実際には複数のタイプのゼロ知識証明が存在するが、現在の議論の中心は主に2種類に集中している：インタラクティブ型と非インタラクティブ型のゼロ知識証明である。
初期の設計では、ゼロ知識証明はインタラクティブであった。証明者と検証者が双方向のやり取りを行い、検証者がランダムなチャレンジを提示し、証明者が応答として証明を提供することで、ある命題の真実性に対する信頼を共同で構築する。このモデルは理論的には機能するが、ブロックチェーン環境では当事者がリアルタイムで相互作用することが困難なため、効率的ではない。
より実用的とするため、暗号学者は非インタラクティブ型ゼロ知識証明（NIZK）を開発した。これは証明者が検証者に1回のメッセージを送るだけで済むものである。特に有名なのはzk-SNARKsであり、非常にコンパクトな証明を生成でき、ミリ秒単位で検証が可能である。もう一つの変種はzk-STARKsで、信頼できる設定が不要であり、耐量子安全性を提供する。
zk-SNARKsの仕組み ―― Midnight Network
本質的に、これらのシステムは証明者が有効な計算の数学的「指紋」を生成することを可能にする。検証者はその後、その指紋をチェックするだけでよく、計算全体を再実行する必要はない。これがブロックチェーンのスケーリングにおいて極めて強力な理由である：単一の暗号証明を検証するだけで、数千の取引を迅速かつ低コストで検証できるのである。
ゼロ知識証明はいつ発明されたか？
ゼロ知識証明の起源は1980年代半ばにさかのぼる。研究者Shafi Goldwasser、Silvio Micali、Charles Rackoffが、画期的な論文『インタラクティブ証明システムの知識複雑度』（The Knowledge Complexity of Interactive Proof Systems）（1985年）の中でこの概念を導入した。
彼らの初期理論モデルはその後数十年にわたる暗号技術革新の基盤となったが、ゼロ知識証明が実用的になるには、2010年代に入って計算効率が向上し、ブロックチェーン技術が登場するまで待たねばならなかった。
2016年にローンチされたZcashなどのプロジェクトは、ゼロ知識証明を大規模に展開した最初のプロジェクトの一つであり、zk-SNARKsを用いて公開台帳上でプライベート取引を実現した。以降、ゼロ知識証明技術は著しい発展を遂げ、効率性が向上し、証明生成速度が速くなり、新しいフレームワーク（例：zk-STARKs、Halo、PLONK）が登場して、開発者が使いやすく、実際のシステムスケーリングにも適したものとなっている。
暗号分野でのゼロ知識証明の応用は？
最も直感的で広く知られた応用シナリオは、プライバシー保護取引である。ゼロ知識証明により、ユーザーは公共のブロックチェーン上で取引を行う際に、取引金額や相手先などの機微情報を開示せずに済む。Zcashはこの技術の先駆けであり、「シャイールド取引」（shielded transactions）を導入し、ユーザーのプライバシーを守りながらも、チェーン上で検証可能な整合性を維持している。これを基に、Tornado Cash、Aztec、Railgunなどのプロジェクトはゼロ知識証明技術をイーサリアムに拡張し、秘匿型スマートコントラクトの操作や、非公開のDeFi取引を実現している。
Tornado Cashの仕組み - Elliptic
プライバシー保護に加えて、ゼロ知識証明はデジタルIDと規制コンプライアンスの分野でも革新を起こしている。選択的開示を可能にし、個人データを開示せずに特定の事実を証明できるようにする。例えば、ユーザーは名前を開示せずにKYC検証を通過したことを証明したり、身分情報を提供せずに制裁リストに載っていないことを確認できる。この原理は、Worldcoinの人格証明、Polygon ID、zkPassなどの新興ゼロ知識IDシステムの基盤となっている。
Polygon ID：ゼロ知識証明をサポートするIDシステム - Polygon
ゼロ知識証明は投票とガバナンスにおいても強力な応用力を持つ。分散型自律組織（DAO）において、匿名だが検証可能な投票プロセスを促進し、結果の透明性を確保しつつ、個人の投票者の身元を保護できる。これにより、強要や報復のリスクを低下させ、集団意思決定へのより誠実な参加を促進し、分散型ガバナンスの民主的原則を強化する。
ゼロ知識証明のもう一つの利点は、クロスチェーン検証の分野にある。マルチチェーン環境では、従来、異なるブロックチェーン間で信頼を構築するには仲介機関や複雑なブリッジ機構が必要だった。ゼロ知識証明はより洗練された解決策を提供する：あるチェーンで生成された証明がその状態の正当性を証明し、別のチェーンがその証明を独立して検証できる。これにより、信頼不要の相互運用性が実現され、異なるブロックチェーンが中央集権的なバリデータに依存せずに安全に通信できるようになる。
ZK技術はまた、ZKロールアップを通じてイーサリアムのスケーラビリティを高めている。数千の取引を単一の暗号証明にまとめるこの方式は、セキュリティを確保しつつ、オンチェーンのデータ負荷を大幅に削減する。その結果、取引処理が高速化され、コストが低下し、効率が向上し、イーサリアムがその分散性を損なうことなく大規模アプリケーションに対応する基盤が整う。
ZKロールアップの詳細
ゼロ知識証明に基づくすべての応用の中で、ZKロールアップは間違いなく最も変革的な存在である。それは暗号通貨分野最大の課題の一つ――ブロックチェーンのスケーラビリティ――を解決する。
ブロックチェーン技術の誕生以来、すべてのブロックチェーンは「ブロックチェーン三難問題」に直面している：つまり、セキュリティ、スケーラビリティ、分散化という3つの主要特性のうち、2つしか実現できない。イーサリアムのようなブロックチェーンは安全で分散化されているが、依然として遅く、費用がかかる。すべての取引はすべてのノードによって検証される必要があり、これがボトルネックとなり、スループットが制限され、ガス代が高騰し、ブロックチェーンの可用性が大きく損なわれる。
ロールアップはLayer-2ソリューションであり、取引をオフチェーンで実行し、その集計結果をメインチェーンまたはLayer-1（通常はイーサリアム）に再投稿する。ロールアップには主に2種類ある：OptimisticロールアップとZKロールアップである。
ZKロールアップでは、数百〜数千のオフチェーン取引が一括でパッケージ化される。証明者は、すべてのパッケージ化された取引がブロックチェーンのルールに準拠していることを示すゼロ知識証明（有効性証明とも呼ばれる）を生成する。そして、この単一の証明がメインチェーンに提出され、メインチェーンはそれを迅速かつ確実に検証できる。
ZKロールアップの仕組み - Messari
この設計により、Layer-1のデータ量と計算負荷が大幅に削減される一方で、各取引を個別に処理する場合と同等のセキュリティ保証が維持され、Layer-1の速度と規模のボトルネックが解消される。
代表的なZKロールアッププロジェクトには以下がある：
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zkSync Era：Matter Labsが開発。zk-SNARKsを使用し、高速な最終性を実現。
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StarkNet：zk-STARKsを基盤とし、スケーラビリティと透明性を重視。
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Polygon zkEVM：イーサリアム仮想マシン（EVM）のゼロ知識実装であり、イーサリアム上既存のスマートコントラクトとの完全互換性を提供。
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Lighter：カスタムZKロールアップ上で構築された永続DEXプラットフォーム。zk-SNARKs、具体的にはPlonky2を使用。
ZKロールアップの利点
数千の取引を単一の暗号証明に圧縮することで、ZKロールアップはスループットを劇的に向上させ、イーサリアムなどのブロックチェーンが分散性やセキュリティを犠牲にすることなく、より多くの活動を処理できるようにする。
セキュリティももう一つの重要な利点である。1週間程度のチャレンジ期間に依存して不正を検出する経済的インセンティブに頼るOptimisticロールアップとは異なり、ZKロールアップは数学的な有効性証明によって事前に正確性を保証する。一旦オンチェーンで証明が検証されれば、基盤となる取引は最終的かつ改ざん不能となり、遅延や不確実性が排除される。
これはより速い確認を意味する。ZKロールアップの取引は、対応する証明が検証されると即座に決済されるため、Optimisticシステムで一般的な待ち時間と比較して、ユーザーはほぼ即時に最終性を得られる。
コスト効率も主要な利点の一つである。ZKロールアップはLayer-1ブロックチェーンに極めて少量のデータしか提出しないため、ガス代が大幅に削減され、ユーザーとアプリケーションがイーサリアム上でより安価に動作できる。
さらに興味深いことに、ZKロールアップはプライバシー保護の強化への道を開く。そもそもゼロ知識暗号に基づいて構築されているため、理論的には秘匿性をロールアップ自体に直接組み込むことが可能となり、大規模な秘匿かつ検証可能な取引が実現できる。
現在の主な制限は計算要求にある。ゼロ知識証明の生成には依然として大量のリソースが必要で、高性能ハードウェアと高度な暗号技術を要する。しかし、ハードウェア加速、回路設計、再帰的証明などにおける継続的な進歩により、これらのコストは着実に低下しており、各世代のZKロールアップはより効率的になっている。
Optimisticロールアップとの比較
ArbitrumやOptimismなどのOptimisticロールアップは、異なる哲学に従う。これらはすべてのオフチェーン取引が有効であることを前提とする。誰かがこの前提に異議を唱えた場合にのみ、システムは「不正証明」を要求して争いを検証する。このプロセスには通常約1週間かかる。このモデルは実践的にはうまく機能するが、取引の最終確定に遅延が生じ、無効な活動を発見・報告する参加者を動機付けるインセンティブに依存している。
一方、ZKロールアップは、各バッチの取引にゼロ知識有効性証明を添付し、メインチェーンに書き込む前に数学的にその正確性を保証することで、即時最終性とより強固なセキュリティを提供する。ただし、技術的複雑さと計算負荷が高くなるという代償を伴う。
本質的に、これら2つのモデルは異なるトレードオフを表している。Optimisticロールアップは実装が容易で、シンプルさとイーサリアム仮想マシン（EVM）との完全互換性により、現在のイーサリアムLayer-2領域で支配的である。ZKロールアップはより複雑で計算負荷が高いが、より高速な決済、低いコスト、組み込み型プライバシーの可能性を提供する。
結論
ゼロ知識証明は、デジタルシステムにおける信頼、プライバシー、検証のあり方に対するパラダイムシフトを象徴している。1980年代にさかのぼる抽象的な暗号理論が、今や次世代の分散型インフラを推進する最も有望な技術の一つとなっている。
暗号通貨分野では、ゼロ知識証明はプライベート取引、分散型ID、クロスチェーン相互運用性、そして何より、イーサリアムレベルのセキュリティを維持しつつスループットを何倍にも高めるスケーラブルなロールアップアーキテクチャを支えている。その応用範囲はブロックチェーンを超え、金融、人工知能、データ検証の分野にも広がっている。
ゼロ知識証明の応用はまだ比較的初期段階にあるが、その発展の軌跡はすでに明確である。ゼロ知識証明は、暗号分野の珍奇な技術から、インフラ構築に不可欠な要素へと変貌しつつある。ブロックチェーンが数十億人のユーザー規模に拡大する際にプライバシーと分散性を守り抜くならば、ゼロ知識証明こそがその未来を開く鍵となるだろう。
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