全同態加密(FHE)的發展與應用

全同態加密(FHE)的概念源於20世紀70年代,但長期以來難以實現。其核心思想是在不解密的情況下對加密數據進行計算。最初只能進行簡單的加法或乘法運算,稱爲部分同態加密。2009年,Craig Gentry取得了突破性進展,展示了可以在加密數據上進行任意計算的全同態加密方案。

FHE是一種先進的加密技術,允許在不解密的情況下對加密數據進行計算。這意味着可以直接對密文進行操作並生成加密結果,解密後該結果與對明文進行相同操作的結果一致。

FHE的關鍵特性

1. 同態性:對密文的加法和乘法操作等同於對明文的相應操作。

2. 噪聲管理:FHE加密會向密文添加噪聲以確保安全性,但每次操作後噪聲會增加,需要妥善管理以保證計算準確性。

3. 無限操作:與部分同態加密和某種同態加密不同,FHE支持無限次的加法和乘法運算。

FHE是同態加密的一種特殊情況,允許對密文進行無限次的加法和乘法操作。然而,FHE面臨兩個主要挑戰:

1. 需要控制噪聲以避免計算失敗。
2. 密文計算的開銷比明文計算高出數千到百萬倍。

同態加密根據實現程度可分爲:

• 部分同態加密(PHE):支持一種操作的無限次運算。
• 某種同態加密(SHE):支持有限次數的加法和乘法。
• 全同態加密(FHE):支持無限次的加法和乘法,可進行任意計算。

FHE的主要優勢在於能夠在保護隱私和安全的同時,對加密數據進行任意計算。

FHE在區塊鏈中的應用

FHE有望成爲區塊鏈可擴展性和隱私保護的關鍵技術。目前區塊鏈默認是透明的,而FHE可以將其轉變爲部分加密形式,同時保持智能合約的控制。

一些項目正在開發FHE虛擬機,允許程序員編寫操作FHE原語的智能合約代碼。這種方法可以解決當前區塊鏈的隱私問題,實現加密支付、老虎機和賭場等應用,同時保留交易圖以增強監管友好性。

FHE還可以通過隱私消息檢索(OMR)改善隱私項目的可用性,允許錢包客戶端在不暴露訪問內容的情況下同步。

然而,FHE並不能直接解決區塊鏈可擴展性問題。將FHE與零知識證明(ZKP)結合可能解決一些可擴展性挑戰,爲區塊鏈環境提供可信的計算機制。

FHE與零知識證明的關係

FHE和ZKP是互補技術,但服務於不同目的。ZKP允許可驗證計算和零知識屬性,爲私有狀態提供隱私。然而,ZKP不提供共享狀態的隱私,這對無許可智能合約平台至關重要。FHE和多方計算(MPC)可以彌補這一不足,允許對加密數據進行計算而不暴露數據本身。

除非特定用例需要,否則將ZKP和FHE結合會顯著增加計算復雜性,通常不切實際。

FHE的發展現狀與前景

FHE的發展大約落後於ZKP三到四年,但正在迅速趕上。第一代FHE項目已開始測試,預計今年晚些時候將發布主網。盡管FHE仍比ZKP計算開銷更高,但其大規模採用的潛力已經顯現。一旦FHE進入生產並規模化,預計會像ZK Rollups那樣快速增長。

主要挑戰

FHE面臨的主要挑戰包括計算效率和密鑰管理:

1. 計算效率:FHE中的自舉操作計算密集,但算法進步和工程優化正在改善這一問題。對於特定用例,不使用自舉的替代方案可能更高效。

2. 密鑰管理:一些FHE項目需要閾值密鑰管理,涉及具有解密能力的驗證者組。這種方法需要進一步發展以克服單點故障問題。

FHE市場現狀

加密風險投資公司正積極投資FHE領域,認識到其潛力。一些項目正在開發基於FHE的應用,如老虎機、賭場、商業支付和遊戲等。

閾值FHE(TFHE)將FHE與MPC和區塊鏈結合,開啓了新的應用場景。FHE的開發者友好性,使得可以使用Solidity進行編程,增加了其在應用開發中的實用性。

法規環境

FHE等隱私技術的法規環境在不同地區各不相同。雖然數據隱私得到廣泛支持,但金融隱私仍是一個灰色地帶。FHE有潛力增強數據隱私,允許用戶保留數據所有權並可能從中獲利,同時保持如定向廣告等社會效益。

未來展望

隨着理論、軟件、硬件和算法的持續改進,FHE預計將變得越來越實用。FHE的發展正從理論研究過渡到實際應用,預計在未來三到五年內會有顯著進展。

總結

全同態加密(FHE)正處於變革加密領域的關鍵時刻,提供先進的隱私和安全解決方案。隨着技術進步和風險資本的關注,FHE有望實現大規模採用,解決區塊鏈可擴展性和隱私保護的核心問題。隨着技術成熟,FHE將爲加密生態系統中的各類創新應用開闢新的可能性。