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るが、長い間実現が難しかった。FHEの核心思想は、暗号化されたデータの上で計算を行うことで、事前に復号化する必要がないということである。初期には、暗号化されたデータ上で単純な加減乗除などの演算しか行えず、これを部分同型暗号化と呼んでいた。2009年、Craig Gentryは重要なブレークスルーを実現し、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、これによりFHEの発展を促進した。

FHEは、暗号化されたデータに対して復号化することなく直接計算を行うことを可能にする高度な暗号化技術です。これは、暗号文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、復号化された結果が元の明文に対して同じ操作を行った結果と一致することを意味します。

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FHEの重要な特徴には次のものがあります：

1. 同型性:暗号文の加算または乗算は、平文に対して同じ演算を行うことに等しい。

2. ノイズ管理:FHE暗号化は安全性を確保するためにノイズを導入しますが、操作のたびにノイズが増加します。ノイズを制御し、最小化することは計算の正確性を保証するために重要です。

3. 無限操作: 一部の同型暗号化(PHE)やある種の同型暗号化(SHE)とは異なり、FHEは無限回の加法と乗法演算をサポートし、暗号化されたデータ上で任意のタイプの計算を行うことができます。

FHEが直面する主な課題は計算効率です。暗号文計算のオーバーヘッドは平文計算の10,000倍から1,000,000倍高くなる可能性があります。暗号文上で無限回の加算と乗算が行えるときにのみ、真の完全同型暗号化が実現されます。

同型暗号化は、実現の程度に応じて以下のいくつかのカテゴリに分けることができます:

• 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。
• ある種の完全同型暗号化(SHE): 限定された回数の加法と乗法演算をサポートします。
• 完全同型暗号化(FHE):無限回の加算および乗算演算をサポートし、暗号化データ上で任意の計算を行うことができます。

FHEの主な利点は、暗号化されたデータ上であらゆるタイプの計算を行うことができ、同時に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。

ブロックチェーン分野において、FHEはスケーラビリティとプライバシー保護の問題を解決するため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システムは一般的に透明であり、すべての取引と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能力を維持します。

例えば、ある企業がFHE仮想マシンを開発しており、開発者がFHE原語を操作するスマートコントラクトコードを記述できるようにしています。このアプローチは、現在のブロックチェーン上のプライバシー問題を解決し、暗号化された支払い、オンラインギャンブルなどのアプリケーションを可能にしつつ、取引グラフを保持します。他のプライバシー解決策と比べて、規制に対してより親和性があります。

FHEは、プライバシーメッセージの検索(OMR)を通じてプライバシープロジェクトのユーザーエクスペリエンスを向上させ、ウォレットクライアントがアクセス内容を公開せずにデータを同期できるようにします。

しかし、FHEは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、一部のスケーラビリティの課題を解決できる可能性があります。検証可能なFHEは、計算が正しく実行されることを保証し、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ZKPは相補的な技術ですが、異なる目的にサービスを提供しています。ZKPは検証可能な計算とゼロ知識属性を許可し、プライベートな状態にプライバシー保護を提供します。しかし、ZKPは共有状態にプライバシーを提供できず、これは多くの分散型アプリケーションプラットフォームにとって重要です。FHEとマルチパーティ計算(MPC)はこの欠点を補うことができ、暗号化されたデータの計算をデータ自体を公開せずに行えるようにします。

FHEの発展は現在、ZKPより約3年から4年遅れていますが、急速に追いついています。第一世代のFHEプロジェクトはテストを開始し、メインネットは今年の後半にリリースされる予定です。FHEの計算コストは依然としてZKPより高いですが、その大規模な応用の可能性はすでに明らかになっています。一旦FHEが生産環境に入り、スケールアップを実現すれば、ZK Rollupsのように迅速に発展することが予想されます。

FHEの応用は、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、アルゴリズムの改善やエンジニアリングの最適化がその効率を継続的に向上させています。機械学習などの特定のアプリケーションにおいては、ブートストラップ操作を使用しない代替案がより効率的かもしれません。

鍵管理も重要な課題です。一部のFHEプロジェクトは、復号能力を持つ検証者のグループを含む閾値鍵管理を必要とします。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市場は多くの投資家の注目を集めています。一部の暗号リスク投資会社は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。特定のプロジェクトは、オンラインギャンブル、ビジネス決済、ゲームなどのFHEに基づく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技術を結び付けており、特に有望で、新しいアプリケーションシナリオを開拓しています。FHEの開発者フレンドリーさにより、一般的なスマートコントラクト言語を使用してプログラミングできるため、アプリケーション開発における実用性が向上します。

FHE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は一般的に支持されていますが、金融プライバシーは依然として議論の余地がある分野です。FHEはデータプライバシー保護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ながら、ターゲット広告などの社会的利益を維持することができます。

未来を展望すると、理論研究、ソフトウェア開発、ハードウェアの最適化、アルゴリズムの改善がFHEをますます実用的にすると予測されます。FHEの発展は理論研究から実際の応用段階に移行しており、今後3年から5年の間に顕著な進展が期待されています。

! 完全準同型暗号化(FHE)の進歩と応用

全体的に見ると、FHEは暗号分野を革命的に変える最前線に立っており、プライバシーとセキュリティソリューションに新しい可能性を提供しています。技術の進歩とリスクキャピタルの継続的な注目に伴い、FHEは広範な適用を実現し、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期待されています。技術が成熟するにつれて、FHEは暗号エコシステムにおけるさまざまな革新的なアプリケーションに新しい可能性を切り開くことが期待されています。