Web3業界で注目のブロックチェーン技術「ゼロ知識証明」とは？

ブロックチェーン技術の普及やWeb3の台頭によって再び注目を集めているゼロ知識証明。Web3は、中央管理者を介さずに運営される分散型インターネットの概念で、このWeb3時代を支える重要な技術の1つとして、「ゼロ知識証明」が注目されています。プライバシー保護やスケーラビリティなど、解決すべき課題も多く存在しますが、ゼロ知識証明は、これらの課題を解決する革新技術として期待されています。

本記事では、Web3業界で注目のブロックチェーン技術「ゼロ知識証明」について詳しく解説します。

ブロックチェーンのゼロ知識証明とは？

ブロックチェーンは、取引の透明性を確保するために設計されていますが、同時にプライバシーの保護という課題も抱えています。そこで注目されているのが、ゼロ知識証明と呼ばれる技術です。

ゼロ知識証明とは、証明者が秘密情報を開示することなく、検証者に特定の情報が真であることを証明できる技術です。従来の認証方式では、パスワードや生体認証など、秘密情報を直接相手に伝える必要がありました。しかし、ゼロ知識証明を用いれば、秘密情報漏洩のリスクを大幅に軽減できます。

この技術は、暗号学の分野で長年研究されてきましたが、ブロックチェーン技術との組み合わせにより、その実用性が大きく向上しました。特に、分散型システムにおけるプライバシー保護とセキュリティの両立という課題に対して、ゼロ知識証明は有効な解決策を提供します。

ブロックチェーンにおけるゼロ知識証明の主なユースケースは以下の3つです。

• プライベートトランザクション：ゼロ知識証明を用いることで、取引内容を秘密に保ちながら、トランザクションの正当性を検証できます。これにより、企業間取引や個人の金融取引において、機密情報を保護しながら透明性を確保することが可能になります。

• zkEVMによるブロックチェーンのスケーラビリティ：zkEVMは、イーサリアム仮想マシン（EVM）のゼロ知識証明版です。トランザクション処理をオフチェーンで行うことが可能になり、メインチェーンの負荷を大幅に軽減できます。これにより、処理速度の向上とコスト削減を同時に実現します。

• IDおよびデータの所有権の分散化：ユーザーは自分のIDやデータを中央管理者に依存することなく、安全に管理できます。これは、個人情報保護の観点から非常に重要であり、ユーザーが自身のデータに対する完全なコントロールを持つことを可能にします。

ゼロ知識証明は、ブロックチェーン技術の未来を大きく変革する可能性を秘めた技術です。将来的に、金融、医療、サプライチェーン管理など、様々な分野で利用されることが期待されています。

ゼロ知識証明の種類

ここでは、ゼロ知識証明の代表的な2種類「ZK-SNARKs」「ZK-STARKs」について、それぞれ詳細に解説します。これらの技術は、それぞれ異なる特性を持ち、用途に応じて使い分けられています。

ZK-SNARKs

ZK-SNARKs（Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）は、2012年にGrothとSahaiによって提案されたゼロ知識証明の一種です。「Succinct（簡潔）」という名前が示すように、非常にコンパクトな証明を生成できることが最大の特徴です。

以下のような特徴を持ちます。

• 証明サイズが小さい：数百バイトから数キロバイト程度と、比較的軽量な証明を生成できます。これにより、ブロックチェーン上でのストレージコストを大幅に削減できます。

• 検証速度が速い：数ミリ秒から数十ミリ秒程度と、非常に高速に検証できます。この高速性により、リアルタイムでの取引検証が可能になり、ユーザー体験の向上に貢献します。

• 汎用性が高い：任意の計算に対して証明を生成できます。この柔軟性により、様々なアプリケーションに適用することが可能です。

ただし、ZK-SNARKsには「トラステッドセットアップ」と呼ばれる初期設定プロセスが必要であり、この段階で生成される秘密パラメータが適切に破棄されない場合、セキュリティリスクが生じる可能性があります。

ZK-SNARKsは、プライバシー保護を重視するアプリケーションに適しており、匿名取引、規制対象のデータの共有、医療情報の管理などに向いている技術です。特に、証明サイズの小ささと検証速度の速さが求められる場面で威力を発揮します。

ZK-STARKs

ZK-STARKs（Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge）は、2018年にBen-Sassonらによって提案されたゼロ知識証明の一種です。「Transparent（透明）」という名前が示すように、トラステッドセットアップが不要であることが大きな特徴です。

以下のような特徴を持ちます。

• 証明生成が速い：数十ミリ秒から数百ミリ秒程度と、ZK-SNARKsよりも高速に証明を生成できます。これは、大量のトランザクションを処理する必要がある場面で特に有利です。

• 透明性が高い：証明の内容を誰でも検証可能であり、トラステッドセットアップが不要です。これにより、セキュリティリスクを軽減し、より信頼性の高いシステムを構築できます。

• 量子コンピュータに対する耐性：量子コンピュータに対しても安全であると考えられています。将来的な技術進化に対する耐性を持つことは、長期的な運用において重要な要素です。

ただし、ZK-STARKsは証明サイズがZK-SNARKsよりも大きくなる傾向があり、ストレージコストが高くなる可能性があります。

ZK-STARKsは、スケーラビリティと透明性を重視するアプリケーションに適しており、レイヤー2ソリューション、DAO（分散型自律組織）、投票システムなどのユースケースに向いています。特に、大規模なトランザクション処理が必要な場面で効果を発揮します。

非対話型と対話型

ゼロ知識証明は、証明者と検証者の間でどのようにやり取りを行うかによって、非対話型と対話型に分類されます。この分類は、システムの設計や実装において重要な考慮事項となります。

非対話型ゼロ知識証明では、証明者は検証者と直接やり取りすることなく、証明を生成することが可能です。証明者は一度証明を生成すれば、その証明を複数の検証者に対して使用できます。なお、非対話型ゼロ知識証明には、以下のようなメリットがあります。

• 効率性が高い：証明者と検証者がリアルタイムでやり取りする必要がないため、効率的に処理することが可能です。これは、特に分散型システムにおいて重要な利点となります。

• スケーラビリティが高い：多くのユーザーに同時にサービスを提供できます。1つの証明を複数の検証者が独立して検証できるため、システム全体のスループットを向上させることができます。

一方、対話型ゼロ知識証明では、証明者と検証者が複数回のやり取りを行い、情報が真であることを確認します。このプロセスでは、検証者がランダムなチャレンジを送り、証明者がそれに応答する形で進行します。対話型ゼロ知識証明のメリットは以下です。

• 証明サイズが小さい：非対話型ゼロ知識証明よりも小さな証明を生成できます。これは、通信帯域幅が限られた環境で有利です。

• 計算量が少なくて済む：証明生成に時間がかからず、効率的です。リソースが限られたデバイスでも実装可能な場合があります。

ブロックチェーンの文脈では、非対話型ゼロ知識証明がより広く採用されています。これは、ブロックチェーンの非同期的な性質と相性が良いためです。

ゼロ知識証明を活用するメリット

ゼロ知識証明を活用する3つの主要なメリットを詳しく解説します。これらのメリットは、ブロックチェーン技術の課題を解決し、より実用的なシステムの構築を可能にします。

ゼロ知識証明を活用するメリット①：プライバシー保護の強化

従来のブロックチェーンでは、すべてのトランザクションが公開されるため、プライバシーの保護が課題となっていました。しかし、ゼロ知識証明を用いることで、取引内容の機密性を保ちながら、トランザクションの正当性を検証することができます。

これは、金融機関や医療機関など、プライバシー保護が重要な分野で特に重要となります。例えば、医療機関では患者の診療記録を安全に管理しながら、必要な情報のみを選択的に開示することが可能になります。また、企業間取引においては、取引の詳細を競合他社に知られることなく、取引の正当性を証明できます。

さらに、ゼロ知識証明は、資金洗浄やテロ資金供与などの犯罪行為を防ぐ効果もあります。取引の正当性を検証しながら、不正な取引パターンを検出することが可能になるため、規制当局とプライバシー保護のバランスを取ることができます。

ゼロ知識証明を活用するメリット②：ブロックチェーンのスケーラビリティ向上

ブロックチェーンのスケーラビリティ問題は、長年にわたって業界全体の課題となってきました。ゼロ知識証明を用いることで、トランザクション処理をオフチェーンで行うことができ、この問題を効果的に解決することができます。

zkEVMは、イーサリアム仮想マシン（EVM）のゼロ知識証明版で、zkEVMを用いることで、トランザクション処理をオフチェーンで行うことができます。具体的には、複数のトランザクションをバッチ処理し、その結果の正当性のみをメインチェーンに記録することで、メインチェーンの負荷を大幅に軽減できます。

これにより、イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決することができるメリットがあります。処理速度は数千倍に向上し、トランザクション手数料も大幅に削減されます。これは、DeFi（分散型金融）やNFT取引など、高頻度のトランザクションが発生するアプリケーションにとって非常に重要です。

ゼロ知識証明を活用するメリット③：データ主権の確立

近年、個人データの所有権と管理に関する意識が高まっています。ゼロ知識証明を用いることで、ユーザーは中央管理者に依存することなく、自分のIDやデータを管理することができます。

これは、個人情報の漏洩リスクを軽減し、ユーザーのデータ主権を実現します。従来のシステムでは、個人情報は企業や政府などの中央管理者によって管理されていましたが、ゼロ知識証明を用いた分散型ID（DID）システムでは、ユーザー自身が自分の情報を完全にコントロールできます。

例えば、年齢確認が必要な場面で、具体的な生年月日を開示することなく、「18歳以上である」という事実のみを証明することができます。これにより、必要最小限の情報のみを開示し、プライバシーを最大限に保護しながら、必要なサービスを利用することが可能になります。

ゼロ知識証明を活用するデメリット

ゼロ知識証明には多くのメリットがありますが、実装や運用において考慮すべきデメリットも存在します。これらの課題を理解し、適切に対処することが重要です。

ゼロ知識証明を活用するデメリット①：計算コストの高さ

ゼロ知識証明は、秘密情報に基づいて複雑な数学的証明を生成するため、計算コストが高くなる傾向があります。証明の生成には高度な暗号学的演算が必要であり、通常のトランザクション処理と比較して、より多くの計算リソースを消費します。

さらに、情報量が多くなるため、証明サイズが肥大化し、ストレージやネットワーク帯域幅の負担が大きくなる可能性があります。これは、特にモバイルデバイスやIoTデバイスなど、リソースが限られた環境での実装において課題となります。

例えば、ZK-STARKsは、ZK-SNARKsよりも証明生成が速いという利点がありますが、証明サイズが大きくなるという課題があります。ZK-STARKsの証明サイズは、ZK-SNARKsの数十倍から数百倍になることもあり、ストレージコストの増加につながります。そのため、ZK-STARKsは、ストレージ容量が限られたデバイスでは使用できない可能性があります。

この課題に対処するため、研究者たちは証明サイズの削減や計算効率の向上に取り組んでおり、徐々に改善が進んでいます。

ゼロ知識証明を活用するデメリット②：量子コンピュータに対する脆弱性

近年のゼロ知識証明の多くは、楕円曲線暗号などの暗号化技術に基づいています。これらの暗号化技術は、従来のコンピュータでは解読が困難ですが、量子コンピュータの進化により、将来的に破られる可能性があります。

量子コンピュータは、特定の種類の計算において従来のコンピュータを圧倒的に上回る性能を持つため、現在の暗号化技術の多くが脅威にさらされる可能性があります。特に、ZK-SNARKsなどの技術は、量子コンピュータによる攻撃に対して脆弱であると考えられています。

一方、ZK-STARKsは量子コンピュータに対する耐性を持つように設計されており、長期的なセキュリティの観点から注目されています。将来的には、量子耐性を持つゼロ知識証明技術の開発と普及が重要になると考えられます。

ゼロ知識証明の活用事例

ゼロ知識証明は、すでに様々なプロジェクトで実用化されています。ここでは、代表的な2つの活用事例を紹介します。

ゼロ知識証明の活用事例①：Aztec Connect

Aztec Connectは、イーサリアム上で匿名取引を実現するZK-SNARKsベースのプライバシーソリューションです。このプロトコルは、プライバシーを重視するユーザーに対して、安全で使いやすい匿名取引の手段を提供します。

ユーザーは、Aztec Connectのウォレットを使用して、匿名でERC-20トークンを送受信することができます。送信者、受信者、送金額はすべて秘密に保たれ、第三者がこれらの情報を知ることはできません。ブロックチェーン上には、取引が正当であることを証明するゼロ知識証明のみが記録されます。

ZK-SNARKs技術により、高いセキュリティレベルを実現しており、使いやすく、誰でも簡単に匿名取引を行うことができるのが特徴です。さらに、Aztec Connectは、DeFiプロトコルとの統合も進めており、プライバシーを保護しながら分散型金融サービスを利用することが可能になっています。

このソリューションは、プライバシーを重視する個人投資家や企業にとって、重要な選択肢となっています。

ゼロ知識証明の活用事例②：Polygon zkEVM

Polygon zkEVMは、Polygonネットワーク上でZK-SNARKs技術を用いてスケーラビリティを実現するレイヤー2ソリューションです。このソリューションは、イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するための重要なアプローチの1つとして注目されています。

zkEVMは、イーサリアム仮想マシン（EVM）と完全な互換性があるため、開発者は既存のスマートコントラクトを簡単にzkEVMに移行することができます。これにより、既存のDApps（分散型アプリケーション）を大きな変更なく、スケーラブルな環境に移行できます。

zkEVMは、イーサリアムメインチェーンよりも数千倍高いトランザクション処理速度を実現することができます。複数のトランザクションをバッチ処理し、その結果の正当性をゼロ知識証明で検証することで、メインチェーンの負荷を大幅に軽減しています。

さらに、イーサリアムメインチェーンよりも低コストでトランザクション処理を行うことができるのがメリットです。トランザクション手数料は、メインチェーンの数十分の一から数百分の一になることもあり、ユーザーにとって大きな経済的メリットをもたらします。

Polygon zkEVMは、DeFi、NFT、ゲームなど、様々な分野のアプリケーションで採用が進んでおり、イーサリアムエコシステムの発展に貢献しています。

まとめ：ゼロ知識証明は、社会に広く実装されていく

本記事では、Web3業界で注目を集めるブロックチェーン技術「ゼロ知識証明」について、その概要、仕組み、メリット、デメリット、そして具体的な活用事例を紹介しました。ゼロ知識証明は、秘密情報を開示することなく、情報が真であることを証明できる革新的な技術です。

ゼロ知識証明は、従来のブロックチェーンでは難しかったプライバシー保護、スケーラビリティ向上、データ主権の実現など、様々な課題を解決する可能性を秘めています。計算コストの高さや量子コンピュータに対する脆弱性といった課題も存在しますが、技術の進化とともにこれらの問題も徐々に解決されつつあります。

すでに、匿名取引、zkEVMによるレイヤー2ソリューションなど、様々な分野でゼロ知識証明の活用事例が現れています。金融、医療、サプライチェーン管理、デジタルIDなど、プライバシー保護が重要な分野での応用が進んでおり、実用化のレベルは着実に向上しています。

ゼロ知識証明は、Web3時代における重要な技術の1つとして、将来的に社会に広く実装されていくでしょう。この技術により、プライバシーと透明性を両立した、より安全で効率的なデジタル社会の実現が期待されます。ゼロ知識証明の動向は、ブロックチェーン技術の発展において注目すべき重要なテーマです。

FAQ

ゼロ知識証明とは何ですか？基本的な概念を説明してください

ゼロ知識証明は、秘密情報を開示することなく、その情報が真実であることを証明する暗号技術です。証明者が検証者に対して、機密データを明かさず、その正当性のみを確認させることができます。ブロックチェーンではプライバシー保護とセキュリティ強化に活用されています。

ゼロ知識証明はどのような仕組みで機能していますか？

ゼロ知識証明は、ある情報を持つことを証明しながら、その情報自体を一切開示しない暗号技術です。証明者が検証者に対して、特定情報を保持していることを示すことができ、プライバシーを守りながら真正性を確認できます。

ゼロ知識証明はWeb3やブロックチェーンでどのように活用されていますか？

ゼロ知識証明は、プライバシーを守りながら取引の正当性を検証します。個人情報を開示せず認証でき、金融取引やデータ共有で広く採用されています。スケーラビリティ向上にも貢献し、Web3の核心技術です。

ゼロ知識証明と従来の暗号化技術の違いは何ですか？

ゼロ知識証明は，秘密情報を開示せずにある主張の正しさを証明する技術です。従来の暗号化技術がデータを暗号化して保護するのに対し，ゼロ知識証明は検証者に情報の真正性を証明しながらプライバシーを完全に守ります。

ゼロ知識証明を使用することのメリットとデメリットは何ですか？

メリットは、データ開示なしに検証可能でプライバシー保護とセキュリティが向上する点です。デメリットは、計算コストが高く複雑な実装が必要となることです。

ゼロ知識証明はプライバシー保護にどのように役立ちますか？

ゼロ知識証明は、個人情報を開示せずに情報の真正性を証明する技術です。データの正確性を検証しながらプライバシーを守り、金融や医療などの機密情報が必要な分野で個人情報の漏洩を防ぎます。

現在、ゼロ知識証明を採用しているブロックチェーンプロジェクトにはどのようなものがありますか？

Zcash、Starknet、zkSync、Polygon Hermez などが代表的です。これらはプライバシー保護とスケーラビリティの向上を実現し、ブロックチェーン業界で急速に成長しています。