Worldcoinが切り開くゼロ知識証明の地平～デジタルアイデンティティの未来と課題～

※本記事はWorldcoinの運営・開発を行うTools For Humanity社のDC Builderのプレゼンテーションをまとめつつ補足を行ったものです。

1. はじめに

ゼロ知識証明（ZK）技術は、現在ブロックチェーン業界で最も注目を集めているトピックの一つです。この技術は、特にゼロ知識ロールアップやプライバシーアプリケーションの分野で革新的な可能性を秘めています。ZK sync、Starknet、Scrollなど、多くの企業がZK技術を活用した製品開発に取り組んでおり、その数は日々増加しています。

この潮流の中で、Worldcoinは特に注目すべき存在です。Worldcoinは、ZK技術を活用して、ユニークなデジタルアイデンティティシステムの構築に取り組んでいます。このシステムは、個人のプライバシーを保護しつつ、デジタル世界における信頼性の高い本人確認を可能にすることを目指しています。

本記事では、Worldcoinが採用するZK技術の詳細、その具体的な応用、直面する技術的課題、そして将来の展望について詳しく説明します。

2. ゼロ知識証明の基本

ゼロ知識証明（ZK）は、一見すると矛盾した概念に思えるかもしれません。何かを証明しながら、同時に何も知識を明かさない――これがZKの本質です。

2.1 確率的検証可能証明（PCP）

PCPは、証明者（Prover）と検証者（Verifier）という2つの役割を持つ当事者間のやり取りを通じて成立します。証明者は特定の情報や事実を知っており、それを検証者に証明したいと考えています。

具体例として、色覚障害者に色の存在を証明する方法を見てみましょう。

準備：3枚の異なる色（赤、緑、青）の紙を用意します。
初期設定：色覚障害者は3枚の紙に1、2、3とラベルを付けます。
シャッフル：色覚障害者が紙をシャッフルします。
検証ラウンド：
- 色覚障害者が1枚の紙を選び、色覚正常な人に見せます。
- 色覚正常な人はその紙の色を言います（例：「赤」）。
- 色覚障害者は紙を戻し、再びシャッフルします。
繰り返し：このプロセスを複数回繰り返します。

このプロセスを繰り返すごとに、色覚正常な人が単に運で正解している確率は急速に低下します。例えば、20回連続で正解する確率は事実上ゼロに近くなります。

このPCPの例は、ゼロ知識証明の本質を示しています：証明者は検証者に色の存在を証明しましたが、どの紙がどの色であるかという具体的な情報は一切明かしていません。

2.2 SNARK（Succinct Non-interactive Argument of Knowledge）

SNARKは、PCPの概念を発展させ、より実用的にした証明システムです。SNARKの主要な特性は以下の通りです。

簡潔性（Succinctness）：
証明のサイズが小さく、検証が高速です。
非対話性（Non-interactive）：
証明者と検証者の間でのやり取りが1回で済みます。
論証性（Argument）：
計算能力に制限のある敵対者に対して安全です。
知識性（Knowledge）：
証明者が具体的な「知識」を持っていることを証明します。

SNARKの実現には、Fiat-Shamirトランスフォームという暗号プロトコルが重要な役割を果たしています。このトランスフォームにより、対話的なプロトコルを非対話的なプロトコルに変換することが可能になります。

用語解説：
SNARK: Succinct Non-interactive Argument of Knowledge の略。コンパクトで非対話的な知識の証明システム。
Fiat-Shamirトランスフォーム: 対話型の証明プロトコルを非対話型に変換する暗号技術。

3. WorldcoinにおけるZK技術の応用

Worldcoinは、ゼロ知識証明技術を巧みに活用して、プライバシーを保護しつつ信頼性の高いデジタルアイデンティティシステムを構築しています。その中核となるのが、Semaphoreというプロトコルです。

3.1 Semaphoreプロトコル

Semaphoreは、ユーザーがある集合のメンバーであることを、具体的にどのメンバーであるかを明かすことなく証明できるようにするプロトコルです。

Worldcoinのコンテキストでは、Semaphoreは以下のように機能します：

ユーザー検証：
ユーザーがWorldcoinのOrbで検証を受けると、そのユーザーの公開鍵が「検証済みユーザー」のセットに追加されます。
匿名証明：
ユーザーは自分が検証済みユーザーのセットに含まれていることを証明できます。
プライバシー保護：
証明プロセスでは、ユーザーは自分が検証済みユーザーの一人であることを証明できますが、具体的に誰であるかは明かしません。

用語解説：
Semaphore: Ethereum Foundationが開発した、プライバシーを保護しつつメンバーシップを証明するプロトコル。
Orb: Worldcoinが使用する、ユーザーの一意性を確認するための物理的なデバイス。

3.2 マークルツリーとWorld ID

Worldcoinのシステムでは、マークルツリーとSemaphoreを組み合わせて、World IDという独自のデジタルアイデンティティシステムを実現しています。

マークルツリーは、大量のデータを効率的に管理し、特定のデータの存在を迅速に証明することができる構造です。World IDの仕組みは以下の通りです。

ユーザー検証：
Orbでユーザーの一意性を確認します。
公開鍵の生成と登録：
検証済みユーザーの公開鍵がマークルツリーに追加されます。
マークルツリーの更新：
新しいユーザーが追加されると、ツリーが更新されます。
ルートハッシュの公開：
更新されたマークルツリーのルートハッシュがブロックチェーン上に記録されます。
ゼロ知識証明の生成：
ユーザーは、自身が検証済みユーザーであることをプライバシーを保護しつつ証明できます。

具体例として、Alice がWorld IDを使用してオンラインサービスにアクセスする場合を考えてみましょう。

Aliceは事前にOrbで検証を受け、公開鍵がマークルツリーに登録されています。
サービスへのアクセス時、Aliceのスマートフォンがゼロ知識証明を生成します。
この証明は、「Aliceが検証済みユーザーのセットに含まれている」ことを示しますが、Aliceの具体的な身元は明かしません。
サービス提供者は証明を検証し、Aliceが正当なユーザーであることを確認できます。

この仕組みにより、Aliceのプライバシーを保護しつつ、サービス提供者は信頼性の高い本人確認を行うことができます。

用語解説：
マークルツリー: データの整合性と所属を効率的に検証できる木構造のデータ構造。
ルートハッシュ: マークルツリーの最上位にある、ツリー全体を代表するハッシュ値。

3.3 Nullifierの概念

Nullifierは、ユーザーの匿名性を保ちつつ、重複したアクションを防ぐために導入された概念です。Nullifierは、プライベートキー、アクションID、アプリIDのハッシュとして生成されます。

Nullifierの具体的な使用例として、匿名投票システムを考えてみましょう。

Aliceが投票しようとすると、彼女のデバイスがNullifierを生成します。
このNullifierは、Aliceの秘密鍵、「投票」というアクションID、投票アプリのIDから生成されます。
システムはこのNullifierを記録し、同じNullifierが再び使用されることを防ぎます。
BobやCharlieが投票する際も、それぞれ異なるNullifierが生成されます。
仮にAliceが再度投票しようとしても、同じNullifierが生成されるため、システムが重複を検出できます。

この仕組みにより、誰が投票したかは分からないまま（匿名性の保護）、各ユーザーが一度だけ投票できる（一意性の保証）システムを実現できます。

4. Worldcoinが直面する技術的課題

Worldcoinの革新的なアプローチは、同時に独自の技術的課題をもたらしています。

4.1 クライアントサイドでの証明生成

Worldcoinシステムの特徴の一つは、ゼロ知識証明がユーザーの端末（クライアントサイド）で生成されることです。これにはセキュリティとプライバシー保護の面で大きな利点がありますが、同時に以下のような課題も生じています：

計算負荷：
ゼロ知識証明の生成は計算集約的なプロセスです。
デバイスの多様性：
世界中の様々な性能のデバイスに対応する必要があります。
ハードウェアの制約：
メモリやCPU性能の制約が証明生成に影響を与えます。
バッテリー消費：
証明生成プロセスは電力を大量に消費する可能性があります。

例えば、最新のiPhoneでは数秒で生成できる証明が、古いAndroidデバイスでは数分かかる可能性があります。これはユーザーエクスペリエンスに大きな影響を与える可能性があります。

これらの課題に対し、Worldcoinは以下のような解決策を検討しています。

効率的なアルゴリズムの開発
ハードウェア最適化
段階的な証明生成
ハイブリッドアプローチ（一部の計算をサーバーサイドで実行）

4.2 スケーラビリティの課題

Worldcoinの急速な成長に伴い、システムのスケーラビリティが重要な課題となっています。現在、660万人以上のユーザーを抱えており、これらのユーザーが生成する証明はすべてブロックチェーン上で検証される必要があります。

具体的な問題として、一時期にはOptimism（Ethereumのレイヤー2スケーリングソリューション）のネットワーク容量の約60%をWorldcoinの取引が占めていました。これは、以下のような課題をもたらします：

ブロックチェーンの容量制限
ガス代（取引手数料）の上昇
検証の遅延
ネットワークの飽和
他のプロジェクトへの影響

これらの課題に対し、Worldcoinは以下のような解決策を検討・実施しています：

プルーフ集約：複数の証明を1つにまとめる技術の開発
レイヤー2ソリューションの最適化
独自のブロックチェーン（Worldchain）の開発
オフチェーン検証の検討
効率的な証明システムの研究開発

例えば、プルーフ集約技術を用いることで、1000の個別の証明を1つの集約された証明にまとめ、ブロックチェーン上での検証回数を大幅に減らすことができる可能性があります。

4.3 複雑な証明システムの実装

Worldcoinの現在のシステムは主にユーザーの一意性の証明に焦点を当てていますが、将来的にはより複雑で多様な証明を扱う必要が出てくる可能性があります。これには、パスポート証明、年齢証明、資格証明、財務状況の証明、位置情報の証明などが含まれます。

例えば、パスポート証明の場合、ユーザーが特定の国のパスポートを持っていることを、パスポートの詳細を明かすことなく証明する必要があります。具体的なシナリオとして、Alice が海外のオンラインサービスを利用する際に、自国のパスポートを持っていることを証明する必要があるケースを考えてみましょう。

Alice のスマートフォンにパスポートデータが暗号化された状態で保存されています。
サービスへのアクセス時、Alice のデバイスがゼロ知識証明を生成します。
この証明は「Alice が有効なX国のパスポートを持っている」ことを示しますが、パスポート番号や有効期限などの具体的な情報は一切明かしません。
サービス提供者は、この証明を検証することで、Alice の国籍を確認できます。

このような複雑な証明システムを実装する際の主な課題には以下のようなものがあります。

計算の複雑性：
より複雑な証明は、より多くの計算リソースを必要とします。Alice のスマートフォンで証明を生成する際、処理に時間がかかりすぎるとユーザー体験が損なわれる可能性があります。
データの保護：
パスポートデータなど、より多くの機密情報を扱うため、データの暗号化と保護がより重要になります。Alice のパスポートデータが漏洩しないよう、厳重な保護が必要です。
証明サイズの増大：
複雑な証明はサイズが大きくなる傾向があり、ネットワーク帯域幅の使用量が増加する可能性があります。
検証の複雑化：
サービス提供者側での証明の検証プロセスも複雑になり、より多くの計算リソースが必要になる可能性があります。

これらの課題に対処するため、Worldcoinはいくつかの戦略を検討しています。

モジュラー設計：
証明システムをモジュール化し、新しい種類の証明を容易に追加・更新できるようにします。これにより、パスポート証明や年齢証明などの新しい機能を柔軟に導入できます。
効率的なアルゴリズムの開発：
より効率的な証明生成・検証アルゴリズムを開発し、計算負荷を軽減します。例えば、楕円曲線暗号の最適化や、より効率的なハッシュ関数の採用などが考えられます。
ハイブリッドアプローチ：
一部の複雑な計算をサーバーサイドで行い、クライアントの負荷を軽減する方法を探索します。ただし、この場合でもユーザーの秘密データがサーバーに送信されないよう、慎重な設計が必要です。
先進的な暗号技術の採用：
より効率的で安全な暗号技術を採用し、データ保護と計算効率を向上させます。例えば、完全準同型暗号の一部の特性を活用することで、暗号化されたまま一部の計算を行える可能性があります。
ユーザーインターフェースの最適化：
複雑な証明プロセスをユーザーにとって理解しやすく、使いやすいものにするためのUIデザインに注力します。例えば、証明生成中のプログレスバーの表示や、段階的な証明プロセスの視覚化などが考えられます。

これらの複雑な証明システムの実装は、Worldcoinの将来的な発展にとって重要です。単なる「人間の一意性」の証明を超えて、より多様で具体的な属性を証明できるようになることで、Worldcoinのデジタルアイデンティティシステムの応用範囲が大きく広がる可能性があります。

例えば、年齢証明機能が実装されれば、オンラインでの年齢制限のあるサービス（アルコール販売、成人向けコンテンツなど）へのアクセス制御が、ユーザーのプライバシーを保護しつつ実現できるようになります。また、資格証明機能があれば、就職活動や専門サービスの提供において、個人情報を最小限に抑えつつ必要な資格を証明することが可能になります。

しかし、これらの新機能の実装には技術的な課題だけでなく、法的・倫理的な考慮も必要です。例えば、異なる国の法律に準拠しつつ、グローバルに適用可能なシステムをどのように設計するか、といった問題に取り組む必要があります。

Worldcoinチームは、これらの多面的な課題に対処しながら、プライバシーを重視した革新的なデジタルアイデンティティの未来を築くことを目指しています。継続的な研究開発と技術革新を通じて、これらの課題を一つずつ克服していくことが、プロジェクトの成功には不可欠です。

5. 現在のR&D方向性

Worldcoinは、直面する技術的課題に対処し、システムの機能性と効率性を向上させるため、積極的な研究開発（R&D）活動を展開しています。主要な研究分野には以下のようなものがあります：

クライアントサイド証明の改善：
Spartanプルーフシステムの検討やFrank plus Fry手法の研究が進められています。例えば、Spartanプルーフシステムは、従来のSNARKsよりも小さな証明サイズと高速な検証時間を実現する可能性があります。これにより、低性能デバイスでも効率的に証明を生成・検証できるようになる可能性があります。
委任証明（Delegated Proving）の研究：
マルチパーティ計算（MPC）を活用して、ユーザーの秘密データを明かすことなく、サーバーサイドで証明を生成する方法を探っています。例えば、ユーザーの秘密鍵を複数のサーバーに分散して保管し、それらのサーバーが協調して証明を生成する方式が考えられます。これにより、クライアントデバイスの計算負荷を大幅に軽減できる可能性がありますが、サーバー間の安全な通信や計算の正確性の保証など、新たな課題も生じています。
プルーフ集約：
Nibra、Axiom、Storyなどの企業と協力して、複数のWorldcoin証明を効率的に集約する新しいアルゴリズムの開発や、オンチェーンでの証明検証プロセスの最適化に取り組んでいます。例えば、1000個の個別証明を1つの集約証明にまとめることで、ブロックチェーン上での検証コストを大幅に削減できる可能性があります。
新しいアイデンティティ証明システムの探索：
パスポート証明、Zk-email、Webプルーフ、ストレージプルーフなどの研究が進められています。例えば、Zk-emailでは、特定のメールアドレスの所有権をメールの内容を開示せずに証明する技術の開発が行われています。これにより、プライバシーを保護しつつ、メールベースの認証システムを構築できる可能性があります。

これらの研究開発活動を通じて、Worldcoinはシステムの性能とセキュリティを向上させ、より広範囲のユースケースに対応できるよう努めています。例えば、クライアントサイド証明の改善により、途上国の低性能スマートフォンでもWorldcoinシステムを快適に利用できるようになる可能性があります。また、プルーフ集約技術の発展により、数百万人規模のユーザーベースを持つアプリケーションでも、低コストで高速な認証が可能になるかもしれません。

しかし、これらの新技術の実装には多くの課題があり、技術的な問題だけでなく、法的、倫理的、社会的な側面も考慮しながら開発を進める必要があります。例えば、委任証明の導入に際しては、ユーザーのプライバシーとシステムの効率性のバランスをどのように取るか、慎重な検討が必要です。

Worldcoinチームは、これらの課題に対して透明性を保ちつつ、コミュニティとの対話を通じて解決策を模索しています。定期的な技術報告書の公開や、オープンソースコミュニティとの協力など、様々な取り組みを通じて、より良いシステムの構築を目指しています。

6. 結論

Worldcoinプロジェクトは、ゼロ知識証明技術を中核に据えた革新的なデジタルアイデンティティシステムの構築を通じて、プライバシーと信頼性の両立という現代のデジタル社会が直面する重要な課題に取り組んでいます。

Semaphoreプロトコル、マークルツリー、Nullifierなどの先端技術を組み合わせることで、Worldcoinはユーザーのプライバシーを最大限に保護しつつ、信頼性の高いアイデンティティ検証を実現しようとしています。この取り組みは、単なる技術的な革新を超えて、デジタル社会における個人の権利とプライバシーの在り方に大きな影響を与える可能性を秘めています。

しかし、クライアントサイドでの証明生成、スケーラビリティ、複雑な証明システムの実装など、克服すべき技術的課題も多く存在します。これらの課題に対し、Worldcoinチームは新しい証明システムの研究、プルーフ集約技術の開発、新しいアイデンティティ証明システムの探索など、多岐にわたる研究開発を進めています。

特に注目すべきは、Worldcoinが直面する課題がブロックチェーン業界全体の課題と密接に関連している点です。例えば、スケーラビリティの問題は、多くのブロックチェーンプロジェクトが直面している共通の課題です。Worldcoinがこの問題に取り組むことで得られる知見は、業界全体にとって valuable な貢献となる可能性があります。

また、Worldcoinの取り組みは、デジタルアイデンティティに関する重要な問いを提起しています。例えば、「プライバシーと利便性のバランスをどのようにとるべきか」「デジタル世界における『本人確認』とは何を意味するのか」といった問いは、今後のデジタル社会のあり方を考える上で極めて重要です。

World ID 2.0ロードマップやWorldchainの開発など、将来に向けた計画も具体化されつつあります。これらの取り組みを通じて、Worldcoinは単なるデジタルアイデンティティプロジェクトを超えて、プライバシーと信頼性を両立させた新しいデジタルエコシステムの基盤となることを目指しています。

ゼロ知識証明技術は、プライバシー保護や信頼の最小化など多くの利点を持つ一方で、計算集約性や実装の複雑さなどの課題も抱えています。Worldcoinプロジェクトは、これらの課題に正面から取り組みながら、技術の可能性を最大限に引き出そうとしています。

この取り組みは、デジタルアイデンティティと個人のプライバシーに関する社会的議論を促進する触媒となっています。例えば、Worldcoinのシステムが広く採用されれば、オンラインでの年齢確認や資格証明が、個人情報を最小限に抑えつつ行えるようになる可能性があります。これは、デジタル社会における個人の権利とプライバシーの保護に大きな前進をもたらすでしょう。

一方で、このようなシステムの普及には、技術的な課題だけでなく、法的・倫理的な課題も伴います。例えば、異なる国や地域での規制への対応、データの主権や管理の問題、システムの悪用防止策など、多くの課題が存在します。Worldcoinチームは、これらの課題に対しても積極的に取り組み、オープンな対話と協力を通じて解決策を模索しています。

（執筆・編集：BBB）

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