完全準同型暗号(FHE)の開発と応用

完全同型暗号化(FHE)の概念は最初に20世紀70年代に遡ることができますが、長い間実現が困難でした。その核心思想はデータを暗号化し、解読せずに計算を行うことです。最初は暗号化されたデータに対して簡単な加減乗除などの操作しか行えず、部分同型暗号化と呼ばれていました。2009年、Craig Gentryは画期的な進展を遂げ、暗号化されたデータ上で任意の計算を行う可能性を示し、完全同型暗号化の発展を促進しました。

FHEは、暗号化されたデータを解読することなく計算を行うことを許可する先進的な暗号化技術です。これは、暗号文(の暗号化データ)に対して操作を行い、暗号化された結果を生成することができることを意味し、復号化後、この結果は平文(の未暗号化データ)に対して同じ操作を行った結果と一致します。

! 【完全準同型暗号(FHE)の進歩と応用】(https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-f75d873de5f26f5fd416bc40f50afe73.webp)

完全準同型暗号の主な特徴

準同型

• 加法: 暗号文に加算操作を行うことは、平文に加算操作を行うことと同等です。

E(a+b)=E(a)+E(b)

• 乗法: 暗号文に対して乗法操作を行うことは、明文に対して乗法操作を行うことと同等です。

E(a×b)=E(a)×E(b)

• ノイズ管理: FHE暗号化では、セキュリティを確保するために暗号文にノイズが追加されます。しかし、操作のたびにノイズが増加するため、ノイズの管理と最小化が非常に重要です。そうしないと、計算が不正確になったり失敗したりする可能性があります。

• 無限操作: 部分同型暗号化(PHE)やある種の同型暗号化(SHE)とは異なり、FHEは無限回の加算と乗算をサポートし、暗号化されたデータ上で任意の種類の計算を行うことができます。

厳密に言えば、完全同型暗号化は同型暗号化の特別なケースです。同型暗号化は、暗号文に対して加法または乗法の操作を行うことが、平文に対して同じ操作を行うことと等しいことを意味します。

E(a+b)=E(a)+E(b)

E(a×b)=E(a)×E(b)

ここでaとE(a)、bとE(b)は等価と見なすことができます。しかし、2つの重要な課題に注意する必要があります:

1. 平文と暗号文の間の等価性は、操作の前に平文にノイズを追加して暗号文を得ることに関係しています。ノイズが大きな偏差を引き起こすと、計算が失敗する可能性があります。したがって、さまざまなアルゴリズムに対してノイズを制御することが重要です。

2. 足し算と掛け算のオーバーヘッドは巨大です。暗号文計算は平文計算の10,000倍から1,000,000倍の時間がかかる可能性があります。完全同型暗号化は、暗号文上で無限回の足し算と掛け算が可能な場合にのみ実現されます。

実装の程度に応じて、同型暗号化は以下のタイプに分けられます:

• 部分準同型暗号化(PHE):加算または乗算( )無制限の操作をサポートします。 たとえば、RSA は乗算の点で部分的に準同型です。

• ある種の同型暗号化(SHE): 限られた回数の加算と乗算をサポートします。少数の操作が必要な特定のアプリケーションに適しています。

• 完全同型暗号化(FHE):無限回の加算と乗算をサポートし、暗号化されたデータ上で任意の計算を行うことができます。非常に強力ですが、計算集約的です。

FHEの主な利点は、暗号化されたデータ上であらゆる種類の計算を行うことができ、計算プロセス全体のプライバシーと安全性を確保できることです。

FHEのブロックチェーンにおける応用

FHEはブロックチェーンのスケーラビリティとプライバシー保護の重要な技術になることが期待されています。現在のブロックチェーンはデフォルトで透明であり、各取引やスマートコントラクトの変数は公開されています。FHEは完全に透明なブロックチェーンを部分的に暗号化された形式に変えることができ、同時にスマートコントラクトの制御を受けます。

いくつかのプロジェクトがFHE仮想マシンを開発しており、プログラマーはFHE原語を操作するSolidityコードを書くことができます。このアプローチは、今日のブロックチェーン上のプライバシーの問題を解決し、暗号支払い、スロットマシン、カジノなどのユースケースを可能にしつつ、取引図を保持し、他のプライバシーソリューションと比較して規制に優しい特性を持っています。

FHEのもう一つの重要な応用は、プライバシープロジェクトの可用性を改善することです。一部のプライバシープロジェクトは、残高情報の長い検索時間や同期遅延などの重大な可用性の問題を抱えています。FHEは、プライバシーメッセージの検索(OMR)を通じて解決策を提供し、ウォレットクライアントがアクセス内容を公開することなく同期できるようにします。

しかし、FHEはRollup技術のようなブロックチェーンのスケーラビリティ問題を直接解決することはできません。FHEとゼロ知識証明(ZKP)を組み合わせることで、いくつかのスケーラビリティの課題を解決できるかもしれません。検証可能なFHEは計算が正しく実行されることを保証し、ZK Rollupsに似て、ブロックチェーン環境に信頼できる計算メカニズムを提供します。

FHEとゼロ知識証明(ZKP)の関係

FHEとZKPは相補的な技術ですが、異なる目的に役立ちます。ZKPは検証可能な計算とゼロ知識属性を提供し、プライベートな状態にプライバシーを提供します。しかし、ZKPは共有状態のプライバシーを提供せず、これは無許可のスマートコントラクトプラットフォームにとって重要です。この時、FHEとマルチパーティ計算(MPC)が役立ち、データ自体を公開することなく暗号化データに対して計算を行うことを可能にします。

ZKPとFHEを組み合わせると計算の複雑性が大幅に増加します。特定のユースケースが必要でない限り、非現実的です。

FHEの現状と今後の展望

FHEは開発面でZKPに約3〜4年遅れているが、急速に追いついている。第一世代のFHEプロジェクトがテストネットを立ち上げており、メインネットは今年の後半にリリースされる予定だ。FHEは依然としてZKPよりも高い計算コストを持っているが、その大規模採用の可能性は迫っている。FHEが生産に入ってスケールアップすると、ZK Rollupsのように急速に成長することが予想される。

課題とボトルネック

FHEの採用は、計算効率や鍵管理を含むいくつかの課題に直面しています。FHEにおけるブートストラップ操作は計算集約的ですが、アルゴリズムの進歩とエンジニアリングの最適化により改善されています。特定のユースケースにおいて、ブートストラップ操作を使用しない代替手段の方が効率的である可能性があります。

鍵管理は課題をもたらします。一部のプロジェクトでは、復号化能力を持つ検証者のグループを含む閾値鍵管理が必要です。この方法は、単一障害点の問題を克服するためにさらに発展する必要があります。

FHE市場の現状

暗号化リスク投資会社はFHE分野への投資を積極的に行い、その潜在能力を認識しています。いくつかのプロジェクトはfhEVMのユースケースに焦点を当てており、パートナーと共にスロットマシン、カジノ、商業支払い、ゲームなどのアプリケーションを開発しています。

閾値FHE(TFHE)は、FHEとMPCおよびブロックチェーンを統合し、特に有望で、新しいユースケースを開きました。FHEの開発者フレンドリーさにより、Solidityを使用してプログラミングでき、アプリケーション開発において実用的かつ実行可能です。

規制環境

FHEなどのプライバシー技術の規制環境は、地域によって異なります。データプライバシーが広く支持されているにもかかわらず、金融プライバシーは依然としてグレーゾーンです。FHEはデータプライバシーを強化する可能性があり、ユーザーがデータの所有権を保持し、そこから利益を得ることを可能にしつつ、ターゲット広告などの社会的利益を維持します。

未来を見据えると、理論、ソフトウェア、ハードウェア、アルゴリズムの段階的な改善により、FHEはますます実用的になると予想されます。FHEの開発は現在、理論研究から実際の応用へと移行しており、今後3〜5年以内に著しい進展が見込まれています。

まとめ

完全同型暗号化(FHE)は、革命的な変革が進行中の暗号化分野の最前線にあり、先進的なプライバシーとセキュリティソリューションを提供しています。継続的な進歩とリスクキャピタルの高まる関心に伴い、FHEは大規模な採用が期待され、ブロックチェーンのスケーラビリティとプライバシー保護の重要な問題を解決することが見込まれています。技術の成熟に伴い、新しい可能性を解き放ち、暗号エコシステムにおける様々なアプリケーションの革新を促進することが期待されています。

! 完全準同型暗号化(FHE)の進歩と応用