完全準同型暗号化:成熟が進むトラックの概要と潜在的な機会

暗号化技術は、人類文明の進程において重要な役割を果たしており、特に情報セキュリティとプライバシー保護の分野で不可欠な役割を果たしています。これは、さまざまな分野のデータ転送と保存に対して堅固な保障を提供するだけでなく、その非対称暗号公私鍵システムとハッシュ関数は、2008年に中本聡によって創造的に融合され、二重支払い問題を解決するためのプルーフ・オブ・ワークメカニズムを設計し、ビットコインという革命的なデジタル通貨の誕生を促進し、ブロックチェーン業界の新しい時代を切り開きました。

ブロックチェーン業界の急速な発展に伴い、一連の最先端の暗号化技術が次々と登場しており、その中でもゼロ知識証明、マルチパーティ計算、完全同型暗号化が最も注目されています。これらの技術は、ゼロ知識証明とRollupソリューションを組み合わせてブロックチェーンの「不可能な三角形」問題を解決したり、マルチパーティ計算と公開鍵・秘密鍵システムを組み合わせてユーザーの入口の大規模な応用を推進したりするなど、さまざまなシーンで広く利用されています。そして、暗号学の聖杯の一つと見なされる完全同型暗号化は、その独特な特性により、第三者が暗号化データを解読することなく任意の回数計算および操作を行うことを可能にし、組み合わせ可能なオンチェーンプライバシー計算を実現し、さまざまな分野やシーンに新たな可能性をもたらしています。

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完全準同型暗号の概要

完全同型暗号化(FHE)の核心は、暗号文に対して計算や操作を行うことを許可する点にあります。これらの操作は明文に直接マッピングでき、暗号化されたデータの数学的特性を変えずに保持します。FHEにおける「完全」という言葉は、この同型性が新たな高みを達成し、暗号化されたデータに対して無限回の計算や操作を行うことを可能にすることを意味します。

FHEの分野において、マイクロソフトとZamaは卓越したオープンソース製品により、比類のない有用性と影響力を示しました。彼らは開発者に安定した効率的なFHE実装を提供し、FHE技術の継続的な発展と広範な応用を大いに推進しました。

マイクロソフトのSEALは、完全同型暗号化と部分同型暗号化をサポートするライブラリで、高効率のC++インターフェースを提供し、多数の最適化アルゴリズムと技術を統合して、計算性能と効率を大幅に向上させています。

ZamaのTFHEは、高性能の完全同型暗号化に特化したオープンソースライブラリであり、C言語インターフェースを通じてサービスを提供します。一連の先進的な最適化技術とアルゴリズムを活用し、より高速な計算速度とより低いリソース消費を実現することを目的としています。

FHEの基本操作フローには次のものが含まれます:

1. 鍵を生成する 2.データを暗号化する
2. 準同型計算の実行 4.結果を復号化します

FHEの実践において、復号鍵の管理は非常に重要です。ブロックチェーンにとって、閾値を導入したマルチパーティセキュリティ計算のソリューションは、鍵管理のセキュリティを高め、単一のノードが攻撃されるリスクを低減する非常に有望な選択肢です。

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FHEをサポートするEthereum仮想マシン

FHEをブロックチェーン上で実現するための最も理想的な方法は、これを汎用のスマートコントラクトコードライブラリとしてパッケージ化することです。これには、スマートコントラクト仮想マシンがFHEに必要な複雑な数学演算および暗号化操作の特定の命令セットを事前にサポートしている必要があります。

広く採用され、長期間検証されてきた仮想マシンとして、EVMは当然ながらFHEを実現するための第一選択肢となっています。この分野で、Zama社はSolidityによるプライバシー計算をサポートする完全同型暗号化EVM - fhEVMを発表しました。

fhEVMのコア機能は次のとおりです:

• ZamaのオープンソースFHEライブラリを統合したプリコンパイルコントラクトを通じて、FHE操作のサポートを提供
• FHEのために特定のEVMメモリとストレージ領域を構築する
• 分散型閾値プロトコルに基づいて設計された復号メカニズム
• 開発のハードルを下げるSolidity契約ライブラリ

fhEVMはブロックチェーンアプリケーションにおけるFHE技術に堅固な基盤を提供しますが、実際の応用に向けては多くの課題に直面する可能性があります。

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完全準同型暗号化に基づくロールアップ方式

単純なfhEVMは完全なエコシステムを構成することができず、パブリックチェーンレベルのアーキテクチャに依存するか、Layer2/Layer3ソリューションを採用する必要があります。FHEの特性を考慮すると、fhEVMとRollup技術を組み合わせて、FHE-Rollups型Layer2ソリューションを構築することが実行可能な方向性となります。

Fhenixは先駆者として、FHE-Rollupsソリューションを積極的に探求しています。技術の複雑さを考慮して、FhenixはOptimistic Rollupsに基づくソリューションを選択しました。

Fhenixの技術スタックは主に次のものを含みます:

• Arbitrum Nitro の詐欺証明者の変種
• コアライブラリfheOS
• 閾値サービスネットワーク(TSN)

この技術スタックに基づいて、Fhenixは最初の公開バージョンFhenix Frontierをリリースし、包括的な開発ツールとドキュメントサポートを提供しました。

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ブロックチェーンに依存しないFHEコプロセッサ

FhenixはRelayモジュールを導入し、さまざまなパブリックチェーン、L2およびL3ネットワークがFHEコプロセッサーに接続してFHE機能を使用できるようにします。FHE-Rollupsの長いチャレンジ期間の制限を克服するために、FhenixはEigenLayerと提携し、Restakingメカニズムを通じてFHEコプロセッサーにより迅速なサービスチャネルを提供しました。

FHEコプロセッサーの使用プロセスには次のものが含まれます:

1. アプリケーション契約がFHEコプロセッサを呼び出す
2. Relayコントラクトのキューリクエスト
3. Fhenix Rollupにリクエストを転送する
4. FHE計算の実行
5. 阈値ネットワークの復号出力
6. 結果を契約に返送する
7. コントラクトの検証と結果の送信
8. アプリケーション契約の継続実行

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FHEのアプリケーションシナリオ

FHE技術は全体のチェーンゲーム、DeFi、AIなどの分野で巨大な潜在能力を示しています:

• プライバシー保護の完全同型暗号化ゲーム: ゲーム経済体に暗号化保障を提供し、リアルタイム操作を防ぎ、プレイヤーのプライバシーを保護する
• DeFi/MEV:DeFiの機密データを保護し、望ましくないMEVの動作を減らします
• AI:個人のプライバシーデータを保護し、安全なAIモデルのトレーニングを実現する

FHEエコシステムの概要

コア技術サービス会社ZamaとFhenixを除いて、FHEエコシステムには注目すべきプロジェクトがいくつかあります:

• サンスクリーン:自社開発の完全同型暗号化コンパイラ
• マインドネットワーク: EigenLayerの完全同型暗号化ネットワークとの統合
• PADO Labs: ZKPとFHEを統合した分散型コンピューティングネットワーク
• Arcium: 並列コンフィデンシャル コンピューティング ネットワーク
• Inco Network:FHEの計算効率を最適化するレイヤー1
• Treat:Shibaエコシステムの完全同型暗号化レイヤー3
• octra:隔離実行環境をサポートする完全同型暗号化ネットワーク
• BasedAI:LLMにFHE機能を導入する分散ネットワーク
• Encifher: FHEMLに特化したプロジェクト
• Privasea: AI領域でのML推論のためのFHEネットワーク

非営利の研究および教育機関であるFHE.orgとFHE Onchainは、エコシステムの発展に貴重なリソースを提供しています。

FHE技術の展望は広く、Fhenixなどのプロジェクトのメインネットが立ち上がると、複数の分野に革新と変革をもたらします。この活気に満ちた未来はすぐそこにあります。

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