Обговорення принципів та перспектив застосування повністю гомоморфного шифрування(FHE)

Нещодавня ринкова ситуація сповільнилася, що дає нам більше часу, щоб зосередитися на розвитку деяких нових технологій. Незважаючи на те, що ринок шифрування у 2024 році не буде таким бурхливим, як у попередні роки, все ж є деякі нові технології, які поступово стають зрілими. Сьогодні ми будемо обговорювати тему "повністю гомоморфне шифрування (Fully Homomorphic Encryption, FHE)".

Щоб зрозуміти складну концепцію FHE, нам спочатку потрібно зрозуміти значення "шифрування" та "гомоморфне", а також чому потрібно досягти "повністю".

Шифрування основні концепції

Найбільш базовий спосіб шифрування всім відомий. Наприклад, якщо Аліса хоче передати Бобу секретне число "1314 520", але не хоче, щоб третя сторона С знала зміст. Вони можуть домовитися про просте правило шифрування: помножити кожне число на 2. Таким чином, інформація, яку Аліса надсилає, перетворюється на "2628 1040". Боб, отримавши, просто ділить кожне число на 2, щоб отримати початкову інформацію. Це простий спосіб симетричного шифрування.

Гомоморфне шифрування

Зараз уявімо більш складну ситуацію: 7-річна Аліса вміє лише найпростіші операції множення на 2 та ділення на 2. Їй потрібно підрахувати загальну суму електроенергії за 12 місяців, щомісячна плата за електроенергію становить 400 юанів. Але ця операція множення занадто складна для неї.

Аліса не хоче, щоб інші знали конкретну інформацію про рахунок за електрику, але їй потрібна допомога в розрахунках. Тож вона використовує метод множення на 2 для шифрування даних, щоб C обчислив результат 800 помножити на 24. C швидко обчислює 19200 та повідомляє Алісі. Аліса потім ділить результат на 2 двічі і отримує правильну загальну суму рахунку за електрику 4800 грн.

Це простий приклад гомоморфного шифрування множення. 800 помножити на 24 фактично є відображенням 400 помножити на 12, форма до та після шифрування залишається такою ж, тому це називається "гомоморфним". Цей спосіб дозволяє делегувати неперевіреним третім особам виконання обчислень, одночасно захищаючи чутливі дані від витоку.

Необхідність повністю гомоморфного шифрування

Однак проблеми реального світу часто є більш складними. Якщо C якимось чином зможе зробити припущення про вихідні дані Аліси, тоді просте гомоморфне шифрування вже не буде достатньо безпечним.

В цей момент необхідно впровадити технологію "повністю гомоморфне шифрування". Аліса може додати більше операцій до існуючого множення, наприклад, багаторазове множення та операції додавання. Це значно підвищує складність розкриття C.

"Пов" означає, що незалежно від того, наскільки складні поліноміальні обчислення, їх можна виконувати у зашифрованому стані з будь-якою кількістю додавань і множень, а потім розшифрувати для отримання правильного результату. Ця технологія може обробляти практично всі математичні задачі, а не лише прості обчислення.

Повністю гомоморфне шифрування протягом тривалого часу було святим граалем у галузі шифрування. Лише в 2009 році новий підхід, запропонований Джентрі та іншими вченими, дійсно відкрив можливість повністю гомоморфного шифрування.

Застосування технології повністю гомоморфного шифрування

Однією з важливих сфер застосування технології FHE є штучний інтелект. Як відомо, потужні системи ШІ потребують величезних обсягів даних для навчання, але багато даних мають високий рівень конфіденційності. Технологія FHE може добре вирішити цей конфлікт:

1. Зашифрувати чутливі дані за допомогою повністю гомоморфного шифрування
2. Тренування AI моделі на зашифрованих даних
3. Результати шифрування, отримані за допомогою ШІ

У цьому випадку сама AI-система не контактує з оригінальними даними, а обробляє зашифровані вектори. Власники даних можуть безпечно розшифровувати вихідні результати AI на місці. Це дозволяє максимально використовувати потужність AI, захищаючи при цьому конфіденційність даних.

Виклики FHE у практичному застосуванні

Хоча технологія FHE має великі перспективи, вона все ще стикається з деякими викликами в практичному застосуванні. Найголовніша проблема полягає в тому, що обчислення FHE потребують надзвичайно великої обчислювальної потужності, незалежно від того, чи йдеться про шифрування, обчислення чи розшифрування, всі процеси є дуже трудомісткими.

Щоб вирішити цю проблему, деякі проекти намагаються створити спеціалізовані мережі обчислювальної потужності для повністю гомоморфного шифрування. Наприклад, один проект запропонував мережеву архітектуру, яка поєднує характеристики PoW та PoS, і випустив спеціалізовані апаратні пристрої та NFT-активи для підтримки роботи мережі.

Важливе значення технології повністю гомоморфного шифрування

Якщо ШІ зможе широко застосовувати технологію повністю гомоморфного шифрування, це значно сприятиме розвитку ШІ. Наразі багато країн зосереджують свої зусилля в регулюванні ШІ на безпеці даних та захисті конфіденційності, технологія FHE може ефективно вирішувати ці побоювання.

Від національної безпеки до захисту особистої конфіденційності, застосування технології FHE є дуже широким. У найближчому майбутньому в епоху штучного інтелекту технологія FHE може стати останнім рубежем захисту людської конфіденційності. З розширенням технології ми маємо підстави очікувати, що FHE відіграватиме все більш важливу роль у майбутньому.