ゼロ知識 101: 証明からコプロセッサへ

ゼロ知識証明とは何ですか？

ゼロ知識証明（ZKP）は、ある一方（証明者）が別の一方（検証者）に対して、声明が真であることを、声明自体の真実を超えた情報を明らかにすることなく納得させることができる暗号技術です。技術的には、ZKPは次の3つの核心的特性を満たします：完全性、健全性、ゼロ知識。完全性は、正直な証明者が声明が真である場合に常に検証者を納得させることができることを保証します。健全性は、不正な証明者が検証者を騙して虚偽の声明を受け入れさせることができないことを保証します。ゼロ知識は、検証者が主張の妥当性を超えて何も学ばないことを意味します。

この概念は単なる理論的なものではありません。ゼロ知識証明は、現代の暗号システムで既に使用されており、アイデンティティの検証、取引の確認、ポリシーの施行を行いながらプライベートデータを明らかにしません。特にプライバシーと分散化が重要なブロックチェーンアプリケーションに適しています。

なぜブロックチェーンにはZK（プライバシー + スケーラビリティ）が必要なのか

イーサリアムやビットコインのようなパブリックブロックチェーンは、完全な透明性の原則に基づいて運営されています。ネットワーク内のすべてのノードは、取引を検証するためにすべてのトランザクションを再実行する必要があります。このモデルはセキュリティと合意を保証しますが、スケーラビリティとプライバシーのコストがかかります。ゼロ知識証明は、これらの制限の両方に対処します。

プライバシーのために、ZKPはユーザーが何かを証明することを可能にします — 例えば、トランザクションが有効であること — トランザクションの内容を公開することなく。このことは、公共の検証可能性を維持しながら、機密トランザクションとプライベートスマートコントラクトロジックを可能にします。スケーラビリティのために、ZKPは計算を簡潔な証明に圧縮します。この証明は、元の計算が高価で時間がかかるものであっても、オンチェーンで迅速に検証できます。すべてのノードで完全なロジックを実行するのではなく、証明だけを確認する必要があります。これにより、ガスコストが大幅に削減され、スループットが改善されます。

ゼロ知識技術により、信頼を損なうことなくブロックチェーンをスケールさせ、中央集権的な仲介者を導入することなくプライベートアプリケーションを構築することが可能になります。ブロックチェーンがより複雑になり、主流の利用が進むにつれて、これらの機能は不可欠となります。

スマートコントラクトからオフチェーン計算まで

スマートコントラクトはブロックチェーンをプログラム可能なプラットフォームに変革しました。これにより、開発者は事前に定義されたルールに基づいて自動的にロジックを実行する分散型アプリケーションを構築できるようになります。しかし、スマートコントラクトはブロックチェーン自体の計算制限に制約されています。彼らはオンチェーンで実行されなければならず、すべての操作は高価で公開されています。

分散型アプリケーションが複雑さを増すにつれて、これらの制約はますます問題となります。大規模な計算や膨大なデータセットへのオンチェーンアクセスは現実的ではありません。一方で、ユーザーはプライバシーをますます要求しており、標準的なスマートコントラクトではそれを提供できません。

これに対処するために、開発者は信頼を保持しながら計算をオフチェーンに移動し始めました。ここでゼロ知識証明が登場します。全てのロジックをオンチェーンで実行するのではなく、重い計算はオフチェーンで行われ、結果の簡潔な証明のみがブロックチェーンに提出されます。これにより、ブロックチェーンは安全かつ検証可能でありながら、パフォーマンスと機密性が劇的に向上します。

このオンチェーンロジックからオフチェーン検証への移行は、ブロックチェーンアーキテクチャにおける大きな変化を示しています。これにより、アプリケーションはイーサリアム仮想マシンの限界を超えてスケールすることができ、それ以外では不可能な新しいユースケースをサポートします。

ZKコプロセッサーの紹介：新しいモジュラー層

ゼロ知識コプロセッサは、計算を実行し、その正当性の暗号証明を生成する専門のオフチェーンシステムです。ブロックチェーン上で直接実行されるスマートコントラクトとは異なり、ZKコプロセッサは外部で動作します。入力を処理し、zkVMまたはカスタム回路を使用して計算を実行し、ゼロ知識証明を生成します。この証明は、その計算が正しく実行されたことを証明するためにオンチェーンに提出することができます。

コプロセッサのアイデアは、コンピュータハードウェアから借用されています。従来のシステムでは、コプロセッサはグラフィックスや浮動小数点演算などの特定のタスクを処理するために使用される別のプロセッサです。同様に、ZKコプロセッサはブロックチェーンから複雑なロジックをオフロードし、メインチェーンが実行ではなく検証に集中できるようにします。

ZKコプロセッサはモジュール式の実行環境を導入します。開発者は専門的なオフチェーンランタイムでロジックを構築し、そこで大規模またはプライベートな計算を実行し、その後、検証された結果を任意のブロックチェーンにコミットできます。このモジュール性は、チェーン間のコンポーザビリティを可能にし、パフォーマンスを向上させ、より柔軟なアプリケーション設計をサポートします。

ブロックチェーンスタックにおけるその位置付け

現代のブロックチェーンアーキテクチャにおいて、ZKコプロセッサはオンチェーンのスマートコントラクトと外部データまたは計算ソースの間に位置する中間層を占めています。基盤にはブロックチェーン自体があり、状態を記録し、ルールを強制し、証明を検証します。その上にスマートコントラクトがあり、アプリケーションの公開ロジックを定義し、ユーザーや他のコントラクトからの入力を受け入れます。

ZK コプロセッサは、これらのスマートコントラクトと並行して、またはその下で動作します。彼らは、ユーザーまたはコントラクトからの入力（通常はカラルデータまたは署名されたメッセージの形）を受け取り、オフチェーンでロジックを実行し、ゼロ知識証明を生成します。証明はスマートコントラクトに戻され、検証者キーを使用して検証されます。有効な場合、コントラクトはその状態を更新するか、応答をトリガーします。

このアーキテクチャはますますモジュラー化しています。コプロセッサは複数の契約やアプリケーションにサービスを提供できます。同様に、一つの契約は複数のコプロセッサと連携することができます。このシステムはチェーン間で拡張可能でもあります。ZKコプロセッサは、一つのチェーン上のデータに対して証明を計算し、それを別のチェーンに提出することができ、強力な保証を伴うクロスチェーン相互運用性を可能にします。