Zero-Knowledge Proof (ZKP oder ZK-Proof) Börsenlexikon Vorheriger Begriff: Zero-Knowledge Rollup (ZK-Rollup) Nächster Begriff: Loopring (ZK-Rollup-Plattform)

Ein Zero-Knowledge Proof (ZKP) – auf Deutsch Null-Wissen-Beweis – ist ein kryptografisches Verfahren, mit dem eine Partei (der Beweiser, Prover) einer anderen Partei (dem Verifizierer, Verifier) nachweisen kann, dass sie eine bestimmte Information kennt oder eine Aussage wahr ist, ohne dabei die Information selbst preiszugeben. Zero-Knowledge-Proofs sind ein grundlegendes Konzept der modernen Kryptografie und spielen eine zunehmend wichtige Rolle in Blockchain-Systemen, bei Datenschutzlösungen sowie im Identitätsmanagement.

Grundprinzip eines Zero-Knowledge Proofs

Ein korrekt implementierter ZK-Proof muss drei zentrale Eigenschaften erfüllen:

1. Vollständigkeit (Completeness)
   Wenn die Aussage korrekt ist und der Prover die nötige Information besitzt, akzeptiert der Verifizierer den Beweis mit hoher Wahrscheinlichkeit.

2. Korrektheit (Soundness)
   Wenn die Aussage falsch ist, kann der Prover den Verifizierer nicht davon überzeugen – außer mit vernachlässigbar geringer Wahrscheinlichkeit.

3. Zero-Knowledge
   Der Verifizierer erhält keine Informationen über die zugrunde liegende Aussage oder Daten – außer der Gewissheit, dass sie wahr ist.

Ein oft zitiertes Beispiel ist die „Höhle des Ali Baba“: Eine Person kann beweisen, dass sie ein Passwort kennt, das eine geheime Tür in einer Höhle öffnet, ohne das Passwort selbst zu verraten – lediglich durch demonstrierbares Verhalten (z. B. Erscheinen auf der anderen Seite der Tür).

Typen von Zero-Knowledge Proofs

1. Interaktive Zero-Knowledge-Proofs

• Der Beweis erfolgt über mehrere Nachrichten zwischen Prover und Verifizierer.

• Hauptsächlich theoretische Bedeutung, da in der Praxis oft nicht-interaktive Verfahren bevorzugt werden.

2. Nicht-interaktive Zero-Knowledge-Proofs (NIZKs)

• Der Beweis erfolgt in einem einzigen Schritt, ohne Rückfrage durch den Verifizierer.

• Besonders geeignet für Blockchain-Anwendungen, da hier keine interaktive Kommunikation möglich ist.

Technologische Varianten

ZKPs können mit unterschiedlichen Technologien realisiert werden. In Blockchain-Systemen dominieren derzeit zwei Methoden:

Anwendung in der Blockchain-Technologie

ZKPs sind ein zentraler Bestandteil der technischen Weiterentwicklung dezentraler Systeme. Sie ermöglichen:

1. Skalierung (z. B. ZK-Rollups)

• Transaktionen werden off-chain gebündelt und durch einen ZK-Proof zusammengefasst auf der Layer-1-Blockchain verifiziert.

• Hohe Effizienz bei gleichzeitiger Sicherheit.

2. Datenschutz

• Transaktionen, Benutzeridentitäten oder Salden können verborgen werden, während ihre Gültigkeit nachgewiesen wird.

• Beispiel: Zcash, bei dem Sender, Empfänger und Betrag nicht öffentlich sichtbar sind.

3. Identitätsmanagement

• Nachweis von Attributen (z. B. Alter, Staatsangehörigkeit), ohne vollständige Offenlegung persönlicher Daten.

• Anwendung in Self-Sovereign Identity (SSI) und verifizierbaren Berechtigungen (Verifiable Credentials).

4. Verifizierte Berechnungen

• Komplexe Berechnungen können off-chain durchgeführt werden, und das Ergebnis wird durch einen Proof on-chain verifiziert – ohne Rechenaufwand auf der Blockchain selbst.

Vorteile von Zero-Knowledge Proofs

1. Datenschutz: Nutzer müssen keine vertraulichen Informationen offenlegen.

2. Effizienz: Beweise sind in der Regel kompakt und schnell verifizierbar.

3. Vertrauensminimierung: Die Notwendigkeit, Dritten Informationen offenzulegen oder Vertrauen zu schenken, wird reduziert.

4. Kompatibilität mit Dezentralisierung: ZKPs lassen sich in vertrauenslose Systeme wie Blockchains integrieren.

Herausforderungen und Grenzen

1. Komplexität der Implementierung: Die Erstellung korrekter ZKPs ist mathematisch anspruchsvoll.

2. Rechenintensität: Besonders bei der Erstellung von Beweisen kann hoher Rechenaufwand entstehen.

3. „Trusted Setup“ bei SNARKs: Einige Verfahren benötigen eine initiale, sichere Schlüsselgenerierung – ein potenzieller Angriffspunkt.

4. Standardisierung: Es existieren viele konkurrierende Verfahren, was Interoperabilität erschwert.

Praxisbeispiele

• Zcash (ZEC): Anonyme Kryptowährung auf Basis von ZK-SNARKs

• zkSync Era: Layer-2-ZK-Rollup auf Ethereum mit Fokus auf Skalierung

• Starknet: STARK-basiertes Layer-2-Netzwerk mit eigenem Programmiersystem

• Verifiable Credentials: Nachweise, die z. B. Alter, Qualifikation oder Berechtigung enthalten – prüfbar durch ZKPs

Abgrenzung zu verwandten Konzepten

Zero-Knowledge-Proofs unterscheiden sich von klassischen Hash-Verfahren oder digitalen Signaturen dadurch, dass nicht nur Integrität, sondern auch Vertraulichkeit des zugrunde liegenden Inhalts gewahrt wird. Digitale Signaturen zeigen, wer etwas signiert hat – ZKPs zeigen, dass jemand etwas weiß oder berechtigt ist, ohne zu verraten, was genau.

Fazit

Zero-Knowledge Proofs sind ein fundamentales kryptografisches Werkzeug, das beweisbare Aussagen ohne Offenlegung ermöglicht. In Blockchain- und Web3-Systemen eröffnen sie neue Möglichkeiten für Skalierung, Datenschutz, Verifikation komplexer Berechnungen und dezentrales Identitätsmanagement. ZKPs gelten als Schlüsseltechnologie für eine datenschutzfreundliche, skalierbare und vertrauensarme digitale Zukunft. Ihre erfolgreiche Integration in bestehende Systeme stellt jedoch hohe Anforderungen an Technologie, Infrastruktur und Nutzerverständnis.