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零常识证明:一个略微严肃的科普

⑥链接地点:
这一交互证明浮现了上述传统证明系统的两点精华,对付第二点,这里带来了1/2的错误概率,即对付错误的断言(即两个球颜色沟通),证明者仍能以1/2的概率骗过验证者,不外这可以反复多次来低落这一概率。零常识在这里显而易见:色盲在交互竣事后除了相信他手中球是颜色差异的之外并没有获得任何特另外常识。 
https://www.sciencedirect.com/sdfe/pdf/download/eid/1-s2.0-0020019088901998/first-page-pdf
零常识证明一个显然的暗码学应用就是身份认证。如你可以随机挑选两个素数 , 计较它们的乘积,将乘积作为你的身份发布 。需要举办身份认证时,你向验证方证明“我知道我的身份对应的两个素因子”。
二、交互证明的打破演变
假如假定存在一个无所不能的超等计较机M它能在瞬间判定两个图是否同构,则你可以通过交互在M(它饰演证明者的脚色)的协助下验证断言C的正确性:

编者按:零常识证明技能在规模应用长短常遍及的,譬喻存储扩容、隐私掩护等,对付将来数字化世界具有不凡的应用代价。正因如此,关于零常识证明的科普先容从不停尔,差异的案例版本在网络上流行,导致许多初学者无从判别,绕了很多弯路。

④链接地点:
传统的证明长短交互的,我们可以把它写在纸上供验证者在无需证明者在场的环境下举办验证。1985年Goldwasser,Micali和Rackoff通过给传统的数学证明引入随机性和交互,即以问答方法举办证明,由此发生的交互证明系统,这给厥后整个计较机科学和暗码学的成长带来了(远远超出观念提出者所预料的)深远的影响。
https://courses.cs.washington.edu/courses/cse533/05au/pcp-history.pdf
视觉正常的证明者持有的传统证明/证据是眼里看到的差异颜色,他先将两个球别离放在色盲的两只手中,记着阁下手中的颜色;色盲将手放背后,脑筋里随机抉择是否在背后互换手中的球,,然后将双手握球展示给证明者并问他本身是否适才在背后互换了手中的球,证明者通过比拟之前色盲两手中球的颜色来答复他的问题。
尚有一些其他的例子,如证明两种白酒味道差异,适口可乐和百事可乐的味道差异(见下文①),但这两个例子一般用来说明交互的威力,而非零常识性。 
这些研究也是最近十年来鼓起的一些海潮背后的理论东西,如云/外包计较,区块链中的简捷非交互证明系统等。这些或者是对人类好奇心的回报吧。
①链接地点:
这里一个较量准确一点的例子就是向红绿色盲来证明两个球着色差异:
在“解析整数是坚苦的”假设下,这组成了一个身份认证系统:验证方在证明完成后没有获得任何有关两个素因子的常识。GMR通过引入模仿范式准确界说了零常识性。这一模仿范式对暗码学影响深远,它为暗码学从艺术到科学的转变奠基了基本。
但这丝绝不影响交互证明这一观念的(在其时的)前卫性和革命性。我想强调的是,在科学上,一个好的界说自己的意义并不亚于一个好的功效的意义。交互性证明的革命性本质上表此刻下面两个方面(均是传统数学证明无法实现的):
如安在短时间内向他人证明断言C:“这两个n极点的图G0和G1是差异构的”。这个断言的传统数学证明会很长(你可以认为就是由险些所有n个点到n个点上的置换映射构成,验证者逐一验证每一个置换映射都不组成这俩图的同构后确认这两图差异构。这固然不正确, 但不影响我们的接头。图同构今朝有准多项式时间算法②),你无法在有限的时间内验证完毕。0.
然而,好奇心驱动的基本研究就是这样,无论你对它持有什么立场,你无法证明它未来没有用。
http://people.cs.uchicago.edu/~laci/update.html
(1) 可以或许高效地、机器式(无需任何缔造性)地对质明举办验证;
此刻回过甚去看,假如把眼光放宽一点,你会发明交互证明已经在人类汗青上呈现好久了,好比法庭上控方状师对被告的诘责,可以当作是被告对本身无罪所作的的一个交互证明。这里交互和随机性的浸染浮现的极尽描述:
②链接地点:
一、交互证明的革命性
这个证明系统也会带来1/2的错误,留意到假如上述断言错误,即给定的两个图是同构的(进而上述三个图 G0,G1和H 彼此同构),那么纵然全能的呆板也不能以高出1/2的概率使得验证者接管。我们可以依照上面的例子处理惩罚来低落这一风险。
https://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall07/cos433/lec15.pdf
虽然不是所有的这种范例的数学断言都需要这么长的证明,对付某些断言A我们容易证明它是错误的(因此不存在任何长度的证明),但留意到所有有着多项式长度证明的数学定理组成一个NP完全荟萃,上述范例的断言在某种意义上构成一个Co-NP的荟萃,在公道的假设下总会有一些这范例断言会有很长很长的传统证明。
(2) 对付一个错误的断言无法找到一个可以或许通过验证的证明。
断言B:“断言A不存在长度小于1000个字符(为利便,假设为2进制字符)的传统数学证明”。留意到断言B自己的传统证明有大概是所有大概的长度为 1000比特的字符串,它的长度约为1000×21000 比特,即验证者验证断言B很大概需要查抄险些所有长度为1000比特的字符串, 而且逐一否认其组成断言A的证明才气确定断言B的正确性,这显然不会“高效”,纵然给定断言B的传统数学证明,你也无法在有限的一生中验证完毕。 
第一次对领略交互证明威力的打破性希望是Nisan 在1989年的在他著名的邮件(拜见Babai的演讲④,这里你可以看到Nisan所激发的空前惨烈的学术竞争,提到了蔡进一老师的功效)中公布的,然后导致了Shamir的IP=PSPACE(这个证明可以在两页半⑤纸上写下),Arora等人的–我认为是理论计较机规模继Cook-Levin定理之后最为深刻的–PCP定理(对汗青感乐趣的同学请参考文章⑥。)
⑦链接地点:
这两点本质上都只与验证有关:它只强调普通的时间有限的验证者能举办验证而不会被恶意的证明所欺骗。凡是我们并不体贴一个证明是怎么找到的,有些时候寻找一个定理的证明需要漫长的时间和极高的缔造力,这也表明白为什么我们会有菲尔兹奖,沃尔夫奖…..
然而,交互证明可以或许让验证者在远远远远小于1000×21000时间(呆板运行步数)-好比1分钟-内高效验证断言B的正确性。一个经典的例子就是:
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download;jsessionid=D09EEB939ED2251B3D7C1648A1B2C4E6?doi=10.1.1.42.5832&rep=rep1&type=pdf

③链接地点:
⑤链接地点:
这方面的研究最后可以或许落地应用在于Babai和Levin(是的,同Cook-Levin中的Levin,Micali称他为”a force of nature”)等人实现的“universal 交互证明系统”⑦:对付有着极度冗长传统证明的断言我们可以通过 universal 交互证明系统让全能的证明者协助验证者高效地验证,当我们对那些有着较量短传统证明的断言应用同样的交互证明系统时,则我们可以让普通的能高效实现的证明者来协助验证者以惊人的效率来验证。
https://www.cs.princeton.edu/courses/archive/spr09/cos522/BabaiEmail.pdf
接待参考如下附加文档,获取更多干货内容:
试想假如被告能在开庭前一天得到控方状师所有的提问,那么他很大概可以或许编造一个完美的故事骗过对方;假如控方状师所有的提问都是未知的,那么他能骗过对方的概率应该不大,究竟在短时间内一个谎话接着一个谎话地编下去还能使对方信服,这对智商要求太高。

组成一个传统数学定理证明的精华有两点:

为此,我们出格登载来自中国科学院信息工程研究所邓燚研究员的《零常识证明:一个略微严肃的科普》,对“零常识性”的本质和“交互证明”的革命性及汗青演变举办了全面的诠释,发起保藏。

你随机选择一个比特 b和一个同构映射Φ并计较一个新的图H=Φ(Gb),将H发送给M并询问M是与G0和G1中的哪个图同构,假如M的答复恰好便是b,你就可以接管断言C。假如M足够强大,这一证明进程将在很短的时间内竣事。
上面第二个偏向上的研究经验了几年的曲折和意外。Fortnow在交互证明提出不久后给出了一个证据③,体现交互证明大概无法证明上面提到的断言B范例的断言(厥后的研究大大打破了他的负面功效)。
第二个方面是它可以或许发生不行思议的可极度高效验证的证明,答允证明者来证明在传统证明系统下险些无法(纵然给定证明)验证的断言,如下方案例:

读者大概会对第二个偏向上研究的应用代价发生猜疑。究竟在可以或许大大都能想象获得的场景下我们需要证明方(在拥有传统的数学证明前提下)也可以或许被高效地实现,而不是一台全能的能瞬间答复任何困难的假想呆板。
第一个方面是它能实现零常识性,答允你安详地向他人举办证明。交互的动静能组成一个证明(仍然浮现了传统证明的精华)而它们自己不泄漏“断言为真”之外的任何常识。这里的“常识”可以领略为“计较本领”,证明是“零常识的”意味着整个证明进程没有增加验证者的计较本领(即验证者之前无法办理的问题在证明完成之后仍然无法办理)。这本性质担保了交互完成后验证者只知道被证明的断言为真,但他并不知道怎么转而向其他人证明这一断言,它的价钱是会发生一些微小的错误。 
http://www.lirmm.fr/~ashen/mathtext/ip/1992/ip-pspace-simplified.pdf

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