Preuve à divulgation zéro : la révolution de la protection de la vie privée et de la confiance dans la blockchain

Imaginez que vous devez prouver à un ami que vous détenez un secret, sans révéler ce secret lui-même — cette nécessité apparemment contradictoire est précisément le problème que la preuve à divulgation zéro doit résoudre. La preuve à divulgation zéro est une technique cryptographique qui permet à une partie de prouver à une autre la véracité d’une déclaration sans divulguer aucune information spécifique. Concept introduit pour la première fois par Shafi Goldwasser et Silvio Micali du MIT en 1985, elle devient une technologie clé dans le domaine de la blockchain et de la protection de la vie privée.

Comprendre l’essence de la preuve à divulgation zéro dans la vie quotidienne

Le charme de la preuve à divulgation zéro réside dans sa large applicabilité. Imaginez un scénario simple : vous souhaitez prouver que vous savez cuisiner, mais sans que votre famille ne voie votre désordre en cuisine. La solution est élégante — vous entrez seul dans la cuisine, et en fin de compte, vous présentez le plat fini, ce qui suffit à prouver votre compétence culinaire, sans révéler aucun détail du processus.

C’est là toute la finesse de la preuve à divulgation zéro. Elle établit entre deux parties un mécanisme de confiance basé sur un échange d’informations minimisé. Le prouveur (prover) peut confirmer à le vérificateur (verifier) qu’un fait est vrai, sans que ce dernier n’apprenne rien d’autre. Ce mécanisme remet en question l’hypothèse traditionnelle selon laquelle il faut connaître tous les détails pour confirmer la véracité.

Dans le domaine de la cryptographie, cela se traduit par trois caractéristiques fondamentales : l’intégrité garantit qu’un prouveur honnête peut convaincre un vérificateur honnête ; la fiabilité assure qu’il est presque impossible pour un fraudeur de tromper le vérificateur ; la propriété de zéro connaissance garantit qu’aucune information cachée n’est divulguée durant le processus de vérification. Ces trois propriétés constituent la base théorique de la preuve à divulgation zéro.

Pourquoi la vie privée, l’identité et l’efficacité sont essentielles dans la preuve à divulgation zéro

Dans l’écosystème actuel d’Internet, la crise de la vie privée est omniprésente. Diverses applications collectent massivement les données des utilisateurs, stockant les informations personnelles (PII) dans des bases de données centralisées, qui deviennent des cibles pour les hackers. En cas de fuite, les problèmes de vol d’identité et d’arnaques surgissent. La preuve à divulgation zéro offre une solution — l’utilisateur peut prouver son identité ou ses droits sans révéler ses informations personnelles réelles.

Dans le domaine de l’authentification, la preuve à divulgation zéro ouvre de nouvelles possibilités. Vous pouvez prouver à une plateforme que vous avez plus de 18 ans, sans fournir votre carte d’identité ou votre année de naissance. Vous pouvez prouver que vous êtes membre d’un service sans divulguer les détails de votre compte. Cette divulgation sélective protège considérablement la vie privée de l’utilisateur tout en répondant aux besoins d’authentification des plateformes.

Pour l’écosystème blockchain, la preuve à divulgation zéro a permis la naissance de monnaies privées. Des projets comme Zcash et Monero utilisent cette technologie pour masquer complètement les adresses des parties, le type d’actifs, le montant des transactions et les horodatages, même si la transaction est visible publiquement sur la blockchain, personne ne peut suivre le flux de fonds. Tornado Cash a encore poussé cette technologie sur Ethereum, permettant aux utilisateurs d’effectuer des transactions privées, bouleversant ainsi le paysage de la confidentialité sur blockchain.

Plus important encore, la preuve à divulgation zéro contribue à résoudre le problème de scalabilité de la blockchain. Dans les solutions de couche 2, plusieurs transactions sont regroupées, et une preuve à divulgation zéro de leur légitimité est générée simultanément. Le vérificateur n’a pas besoin de réexécuter tous les calculs, il suffit de vérifier cette preuve pour confirmer la validité des transactions. Cela réduit considérablement la charge du réseau et accélère le traitement des transactions.

Le calcul vérifiable devient également une nouvelle application. Lorsque la puissance de calcul d’un appareil utilisateur est insuffisante ou que le coût local est trop élevé, un service tiers (comme un oracle Chainlink) peut effectuer le calcul à leur place, tout en générant une preuve à divulgation zéro pour prouver que le résultat est correct. Cela permet d’externaliser en toute sécurité des calculs complexes sans craindre que le résultat soit falsifié.

Deux voies pour la preuve à divulgation zéro : interactive vs non-interactive

Les méthodes de mise en œuvre de la preuve à divulgation zéro se divisent en deux grandes catégories, représentant différents compromis techniques.

Les solutions interactives ont l’avantage d’une logique claire. Le prouveur et le vérificateur doivent dialoguer en plusieurs tours, le vérificateur lançant des défis, le prouveur répondant un à un, jusqu’à ce que le vérificateur soit convaincu. On peut illustrer cela par un exemple classique — le problème du daltonisme.

Supposons qu’Alice soit daltonienne, et que Bob possède deux balles identiques, une bleue et une rouge. Bob doit prouver que ces deux balles ont des couleurs différentes. Il cache les deux balles derrière son dos, échange leur position au hasard, puis demande à Bob s’il a effectué l’échange. Si Bob peut voir la couleur, il répondra toujours correctement. Une seule tentative a une précision de 50 %, mais si Bob répond correctement à n tests consécutifs, la probabilité qu’il triche diminue à (1/2)^n. Après suffisamment de tours, la probabilité que le vérificateur soit trompé tend vers 100 %.

Cependant, les solutions interactives présentent des limites évidentes : chaque vérification nécessite tout le processus, les deux parties doivent être présentes en même temps, et chaque vérificateur doit prouver séparément. Cela pose de sérieux obstacles pour une application pratique.

Les solutions non-interactives ont été développées pour éliminer ces contraintes. Le prouveur génère une preuve unique, que le vérificateur peut valider de manière indépendante, sans interaction. Manuel Blum, Paul Feldman et Silvio Micali ont été parmi les premiers à réaliser cette idée, en introduisant une clé partagée, permettant une vérification sans divulgation d’informations.

Un exemple simple pour comprendre la preuve non-interactive est le Sudoku. Alice a résolu un Sudoku complexe et doit prouver qu’elle l’a fait sans révéler la solution. Elle entre le problème et la solution dans une machine inviolable. La machine génère alors 27 sacs : 9 contenant chaque ligne (mélangée), 9 chaque colonne, et 9 chaque sous-cadre 3×3. Bob vérifie que chaque sac contient bien les chiffres de 1 à 9 sans répétition. S’il le fait, il peut être sûr qu’Alice a résolu le Sudoku, sans connaître la solution elle-même.

Par rapport aux solutions interactives, la preuve non-interactive présente des avantages évidents : une seule génération de preuve permet une vérification infinie, sans communication répétée, et toute personne disposant de la preuve et de l’algorithme de vérification peut la valider. Cela rend la preuve à divulgation zéro praticable dans des systèmes réels.

SNARK et STARK : choix technologiques pour la preuve à divulgation zéro

Lorsque la preuve à divulgation zéro passe de la théorie à la pratique, plusieurs solutions concrètes ont été développées, parmi lesquelles zk-SNARK et zk-STARK sont deux options principales.

zk-SNARK signifie “Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge”. La preuve générée est très compacte, et la vérification est rapide. SNARK utilise la cryptographie sur courbes elliptiques, basée sur la difficulté du problème du logarithme discret, une base mathématique très sûre avec la puissance de calcul actuelle. Grâce à l’efficacité des opérations sur courbes elliptiques par rapport aux fonctions de hachage, la vérification sur Ethereum est peu coûteuse. Des projets comme Zcash, Loopring, zkSync et Mina utilisent tous la technologie SNARK, dans des applications allant des monnaies privées à l’extension de couche.

En revanche, zk-STARK représente une autre voie technologique. Son nom complet est “Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge”. STARK utilise des fonctions de hachage plutôt que des courbes elliptiques, ce qui lui confère des avantages uniques : des preuves plus rapides à générer, une meilleure scalabilité, et une résistance aux attaques quantiques — une caractéristique très attractive. Les inventeurs de STARK, Eli Ben-Sasson et son équipe chez StarkWare, ont développé StarkEx et StarkNet, et des solutions comme Immutable X s’appuient également sur cette technologie.

Les deux approches présentent des compromis : les preuves SNARK sont plus petites, plus rapides à vérifier, et moins coûteuses actuellement, mais sont vulnérables face aux ordinateurs quantiques ; les preuves STARK sont plus volumineuses, leur vérification est plus complexe, et leur coût actuel est plus élevé, mais elles offrent une sécurité à long terme renforcée. D’autres solutions hybrides comme PLONK ou Bulletproofs existent aussi, offrant un équilibre selon les cas d’usage.

Dans la pratique, l’extension de couche 2 est le domaine d’application le plus important pour la preuve à divulgation zéro. Le zk-rollup regroupe des centaines de transactions, puis publie une preuve de validité sur la blockchain. Cette preuve, appelée “preuve d’efficacité”, permet au vérificateur de valider la validité sans recalculer tout, réduisant ainsi considérablement le coût sur la chaîne. C’est la transformation la plus réussie de la théorie en marché.

Défis actuels et perspectives de développement de la preuve à divulgation zéro

Malgré ses perspectives prometteuses, le déploiement pratique de la preuve à divulgation zéro doit faire face à plusieurs défis.

Le premier est le coût de calcul. La génération de preuves nécessite des opérations intensives comme la multiplication de matrices à grande échelle (MSM) et la transformation de Fourier rapide (FFT). Ces opérations sont très longues, avec environ 70 % du temps consacré à MSM et 30 % à FFT. La plupart du temps, du matériel accélérateur est nécessaire. Les FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sont considérés comme la meilleure option, avec un coût environ trois fois inférieur à celui des GPU haut de gamme, et une efficacité énergétique supérieure à 10 fois. Cela implique que la démocratisation de la technologie ZK dépend aussi d’investissements dans l’infrastructure matérielle.

Le deuxième défi concerne le coût de vérification. Sur Ethereum, la vérification d’une preuve zk-SNARK coûte environ 500 000 gas, et celle d’un zk-STARK est encore plus coûteuse. Bien que cela reste inférieur au recalcul complet, cela exerce une pression sur le pool de gas du réseau.

Le troisième est la hypothèse de confiance. La SNARK nécessite une phase de paramétrage initiale, qui doit être effectuée par des participants honnêtes. Si des participants introduisent de fausses données, cela peut passer inaperçu. Des recherches visent à développer des “paramètres non confiés”, mais ce problème demeure une faiblesse. À l’inverse, le STARK évite totalement cette hypothèse, car il ne nécessite pas de paramètres de confiance.

Le quatrième est la menace à long terme des ordinateurs quantiques. La SNARK repose sur la cryptographie à courbes elliptiques (ECDSA), vulnérable face aux ordinateurs quantiques. Le STARK, basé sur des fonctions de hachage résistantes aux attaques quantiques, est considéré comme une option plus sûre à long terme.

Malgré ces défis, la voie de développement de la preuve à divulgation zéro est claire. La recherche se concentre sur l’optimisation de la génération et de la vérification, avec l’émergence de nouveaux accélérateurs matériels. Sur le plan applicatif, la technologie s’étend du domaine des monnaies privées et de l’extension de couche 2 à la vérification d’identité, au calcul vérifiable, au vote anonyme, et à d’autres secteurs. Dans le contexte du Web3, la preuve à divulgation zéro aide les développeurs à conserver la sécurité et la décentralisation de la blockchain tout en offrant des performances proches du Web2, tout en protégeant totalement la vie privée des utilisateurs. L’avenir de cette technologie mérite une attention continue.