Mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) và ứng dụng của nó

Mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) kể từ khi được đề xuất lần đầu vào những năm 1970, đã trải qua một quá trình phát triển dài. Ý tưởng cốt lõi của nó là thực hiện tính toán trực tiếp trên dữ liệu đã được mã hóa mà không cần giải mã. Ban đầu chỉ có thể thực hiện các phép cộng hoặc nhân đơn giản, được gọi là mã hóa đồng cấu một phần. Năm 2009, nghiên cứu đột phá của Craig Gentry đã thực hiện việc thực hiện tính toán tùy ý trên dữ liệu đã được mã hóa, đánh dấu sự xuất hiện của kỷ nguyên mã hóa đồng cấu hoàn toàn.

FHE như một công nghệ mã hóa tiên tiến, cho phép tính toán trên dữ liệu mã hóa mà không cần giải mã trước. Điều này có nghĩa là có thể thực hiện các thao tác trên dữ liệu mã hóa và tạo ra kết quả mã hóa, kết quả sau khi giải mã sẽ nhất quán với kết quả của việc thao tác trực tiếp trên dữ liệu gốc.

Các đặc điểm cốt lõi của FHE bao gồm tính đồng cấu, quản lý tiếng ồn và khả năng thao tác vô hạn. Tính đồng cấu đảm bảo rằng các phép toán cộng và nhân trên văn bản mã hóa tương đương với các phép toán tương ứng trên văn bản rõ. Quản lý tiếng ồn là rất quan trọng, vì mỗi phép toán đều làm tăng tiếng ồn trong văn bản mã hóa, tiếng ồn quá lớn có thể dẫn đến việc tính toán thất bại. Khác với mã hóa đồng cấu một phần và một số mã hóa đồng cấu khác, FHE hỗ trợ vô hạn phép toán cộng và nhân, cho phép thực hiện bất kỳ loại tính toán nào trên dữ liệu đã mã hóa.

Tuy nhiên, FHE đang đối mặt với thách thức về hiệu suất tính toán. Tính toán trên văn bản mã hóa có thể mất nhiều thời gian gấp 10.000 đến 1.000.000 lần so với tính toán trên văn bản rõ. Chỉ khi có thể thực hiện phép cộng và phép nhân vô hạn trên văn bản mã hóa, thì mã hóa đồng cấu hoàn toàn mới được thực hiện.

FHE thể hiện tiềm năng lớn trong lĩnh vực blockchain. Nó có thể trở thành công nghệ then chốt để giải quyết các vấn đề về khả năng mở rộng và bảo vệ quyền riêng tư của blockchain. Bằng cách chuyển đổi blockchain hoàn toàn minh bạch thành dạng mã hóa một phần, FHE có thể nâng cao mức độ bảo vệ quyền riêng tư trong khi vẫn duy trì sự kiểm soát của hợp đồng thông minh. Phương pháp này hứa hẹn sẽ thực hiện các ứng dụng như thanh toán mã hóa, trò chơi quyền riêng tư, đồng thời giữ lại biểu đồ giao dịch để đáp ứng các yêu cầu quản lý.

FHE còn có thể cải thiện trải nghiệm người dùng của các dự án bảo mật hiện có. Thông qua công nghệ truy xuất tin nhắn bảo mật (OMR), FHE cho phép ứng dụng ví đồng bộ mà không tiết lộ nội dung truy cập, giải quyết một số vấn đề như độ trễ trong việc truy xuất thông tin số dư mà các dự án đang gặp phải.

Mặc dù FHE bản thân không thể trực tiếp giải quyết vấn đề mở rộng của blockchain, nhưng việc kết hợp nó với chứng minh không biết (ZKP) có thể cung cấp giải pháp mới cho khả năng mở rộng. FHE có thể xác minh đảm bảo rằng các phép toán được thực hiện chính xác, cung cấp cơ chế tính toán đáng tin cậy cho môi trường blockchain.

FHE và ZKP là hai công nghệ bổ sung, phục vụ cho những mục đích khác nhau. ZKP tập trung vào tính toán có thể xác minh và thuộc tính không biết, trong khi FHE cho phép tính toán trên dữ liệu mã hóa mà không tiết lộ dữ liệu. Việc kết hợp cả hai mặc dù sẽ tăng đáng kể độ phức tạp tính toán, nhưng có thể mang lại những lợi thế độc đáo trong một số trường hợp sử dụng cụ thể.

Hiện tại, tiến độ phát triển của FHE chậm hơn khoảng ba đến bốn năm so với ZKP, nhưng đang nhanh chóng theo kịp. Các dự án FHE thế hệ đầu tiên đã bắt đầu thử nghiệm và dự kiến sẽ ra mắt mạng chính vào cuối năm nay. Mặc dù chi phí tính toán của FHE vẫn cao hơn ZKP, nhưng tiềm năng ứng dụng quy mô lớn của nó đang dần hiện rõ.

Các ứng dụng của FHE đang phải đối mặt với một số thách thức, bao gồm hiệu suất tính toán và quản lý khóa. Độ phức tạp tính toán của hoạt động tự khởi động là một điểm nghẽn chính, nhưng với sự cải tiến của thuật toán và tối ưu hóa kỹ thuật, tình hình đang dần được cải thiện. Đối với các ứng dụng cụ thể như học máy, các giải pháp thay thế không sử dụng hoạt động tự khởi động có thể hiệu quả hơn. Quản lý khóa cũng là một vấn đề cần giải quyết, đặc biệt là trong quản lý khóa ngưỡng liên quan đến nhóm người xác thực.

Công ty đầu tư mạo hiểm mã hóa thể hiện sự quan tâm mạnh mẽ đến lĩnh vực FHE. FHE ngưỡng (TFHE) kết hợp FHE với tính toán đa phần và công nghệ blockchain, tạo ra các kịch bản ứng dụng mới. Tính thân thiện với nhà phát triển của FHE, đặc biệt là hỗ trợ lập trình bằng Solidity, làm cho nó vừa thực tế vừa khả thi trong phát triển ứng dụng.

Môi trường quy định của công nghệ FHE khác nhau tùy theo khu vực. Mặc dù quyền riêng tư dữ liệu được hỗ trợ rộng rãi, nhưng quyền riêng tư tài chính vẫn còn trong vùng xám. FHE có tiềm năng tăng cường bảo vệ quyền riêng tư dữ liệu, cho phép người dùng giữ quyền sở hữu dữ liệu và có thể thu lợi từ đó, đồng thời duy trì lợi ích xã hội như quảng cáo định hướng.

Với sự tiến bộ không ngừng của nghiên cứu lý thuyết, phát triển phần mềm, tối ưu phần cứng và cải tiến thuật toán, FHE dự kiến sẽ đạt được những tiến bộ đáng kể trong ba đến năm năm tới, chuyển từ giai đoạn nghiên cứu lý thuyết sang giai đoạn ứng dụng thực tế.

Công nghệ mã hóa đồng cấu hoàn toàn đang đứng ở tuyến đầu của sự đổi mới trong lĩnh vực mã hóa, cung cấp các giải pháp bảo mật và riêng tư tiên tiến. Với những tiến bộ công nghệ liên tục và sự quan tâm từ các quỹ đầu tư mạo hiểm, FHE có khả năng đạt được ứng dụng quy mô lớn, giải quyết các vấn đề then chốt về khả năng mở rộng và bảo vệ quyền riêng tư trong blockchain. Khi công nghệ trở nên trưởng thành, FHE có khả năng mở ra những khả năng mới, thúc đẩy sự phát triển đổi mới của các ứng dụng trong hệ sinh thái mã hóa.