Mathematical Logic Seminar

Why is solving the P vs NP problem so damn hard?

Sala 6.2.33, Ciências ULisboa (com transmissão via Zoom)

Por Bruno Loff (Universidade do Porto).

I will give a board-and-chalk-and-informal-talk presentation about the difficulty of proving lower-bounds in computational complexity. 

The P vs NP problem is one of the most famous unsolved problems in mathematics. One may phrase the P vs NP question in various equivalent ways. One way, which is not completely equivalent, but almost, is the following ("P/poly vs NP problem"). Does there exist a small Boolean circuit which solves the CLIQUE problem? I.e., does there exist a poly(N)-size Boolean circuit which, when given as input the NxN adjacency matrix of an undirected graph, decides whether the graph has a clique of size N/2?

Complexity theorists, me included, believe that the answer is no. We believe that there exists a super-polynomial "lower-bound" on the complexity of CLIQUE. Many people have tried proving such a lower-bound, and so far all have failed. But why? Why is the problem so difficult?

In the late 1980s, Alexander Razborov proved that there exist no poly(N)-size "monotone" circuits for solving CLIQUE. Namely, if we forbid the Boolean circuit from doing negations, so they can only do ORs and ANDs, then polysize circuits cannot solve the CLIQUE problem. He (and many others) then tried to prove the same result for ordinary circuits (with negation gates). And he failed (and they all failed, too). But along the way he (and many others) proved many different lower-bounds. Lower-bounds for simpler kinds of circuits (e.g. constant-depth), lower-bounds for communication protocols (a different but related computational model), and lower-bounds for other models. Razborov proved these lower-bounds, and he also thought long and hard about why lower-bounds against Boolean circuits were so difficult to prove.

In 1994, Razborov and Stephen Rudich presented their paper, "natural proofs", which had a very reasonable explanation for why circuit lower-bounds were difficult to prove. They showed, remarkably, that every single lower-bound proof that was known at the time had a certain "logical structure" (or could be made to have such a structure by small changes to the argument). This logical structure made the proof very simple and natural, and they called proofs with such a structure "natural proofs". Then they showed that super-polynomial lower-bounds on CLIQUE cannot be shown using natural proofs, unless certain cryptographic primitives, such as factoring, are unsecure. This is a kind of informal independence result. (Based on the natural proofs result, Razborov also later proved formal independence results, showing that P vs NP is independent of certain weak systems of arithmetic, but I do now know the details of those.)

In one fell swoop, Razborov and Rudich ruled out every single lower-bound technique known at the time, saying: these techniques are not enough to solve the P vs NP problem (unless cryptography is insecure). To a very large extent this barrier still applies today, as almost all the lower-bound proofs that we know are natural proofs, i.e., they have the very same logical structure as the proofs known since the 1980s.

In this seminar, I will explain what is a "natural proof", and why it is reasonable to expect that no natural proof can solve the P vs NP problem. Only a few words will be said about some of my research and how it connects to this topic.


Zoom | Meeting ID: 837 8989 1971

16h00
CMAFcIO - Centro de Matemática, Aplicações Fundamentais e Investigação Operacional
Grupo de pessoas

Ação de formação no âmbito do projeto Unite!WIDENING.

Seminário de Lógica Matemática, por Duarte Costa (Faculdade de Ciências, ULisboa, CEMS.UL).

Astronauta, banhado pela luz solar, no meio de uma floresta

Um evento único, que reunirá estudantes de mestrado e doutoramento com investigadores e líderes da indústria de toda a Europa para uma experiência inesquecível.

Workshop SQL Made Easy | Introduction to Data Analysis

Este workshop prático oferece uma introdução aplicada ao SQL, uma das linguagens mais utilizadas para gerir e analisar bases de dados.

Através de uma abordagem interativa, recorrendo à ferramenta SQLite, os participantes irão aprender a:

Seminário em Biologia Humana e Ambiente, por Ana Luísa Maulvault (Portuguese Institute for the Sea and Atmosphere - IPMA I.P.).

Ao longo do evento, será explorada de que forma a ciência, a inovação e a colaboração podem contribuir para enfrentar os desafios atuais e futuros dos sistemas de pastagens.

Orquestra Wiener Concert-Verein

Neste concerto, que integra o programa Música na Universidade de Lisboa, a conceituada orquestra austríaca Wiener Concert-Verein atua pela primeira vez em Portugal.

Lupa e caneta sobre página com texto e gráfico

O curso visa dar formação inicial a estudantes de pós-graduação sobre o processo de escrita, submissão e publicação de trabalhos científicos, focando principalmente a publicação de artigos científicos em revistas internacionais com revisão por pares - candidaturas até 10 de outubro.

Os workshops destinam-se a todos os docentes e demais pessoas interessadas no desenvolvimento pedagógico na aliança Unite!

Logótipo C-Academy

O curso introduz os fundamentos da segurança em redes de computadores, abordando as principais vulnerabilidades, princípios e metodologias de proteção - candidaturas até 28 de outubro.

Representação de parte do esqueleto humano

Submissão de trabalhos de Mestrado e de Doutoramento realizados na ULisboa, ligados à temática da saúde, até 12 de novembro.

Iconografia relacionada com a temática do curso

O curso fornece uma exploração aprofundada de isótopos estáveis como uma ferramenta valiosa em Ecologia, usando assinaturas isotópicas para rastrear processos ecológicos e revelando insights sobre o ciclo de nutrientes e água, interações de espécies e condições ambientais em diversos ecossistemas e comunidades - candidaturas até 17 de outubro.

Composição de três imagens relativas à área da deteção remota

Este curso visa dar formação na área de Deteção Remota, abrangendo desde a Observação da Terra pelos satélites até à utilização de Drones - candidaturas até 02 de novembro.

Fotografia do mar e parque eólico

O curso propõe uma imersão nos princípios, desafios e oportunidades da Economia Azul, explorando o papel crucial dos oceanos nas transições ecológica e climática - candidaturas até 13 de novembro.

Fábrica

O evento pretende reunir investigadores que trabalhem sobre temas ligados à indústria e sobre património técnico e industrial, para uma reflexão prospetiva sobre o património industrial e atuais vias de colaboração no seu estudo, salvaguarda e preservação.

Título "Turin Staff Week 2025", sobre fotografia da cidade de Turim

Uma oportunidade única para desenvolver competências, criar redes internacionais e conhecer de perto uma das instituições parceiras da aliança Unite! - inscrições até 21 de setembro.

Quatro investigadores num laboratório

O curso visa capacitar investigadores, docentes e técnicos para integrar os princípios da economia circular em ambientes laboratoriais académicos - candidaturas até 22 de novembro.

Workshop no âmbito do Programa de Saúde e Bem-Estar da ULisboa.

Três investigadores num laboratório

O curso visa capacitar profissionais para aplicar os princípios da economia circular em ambientes laboratoriais industriais, promovendo práticas sustentáveis e eficientes - candidaturas até 22 de novembro.

Logótipo C-Academy

O curso fornece uma compreensão abrangente dos princípios e práticas fundamentais da cibersegurança e da privacidade, com aplicação tanto em contextos genéricos como em sistemas críticos - candidaturas até 07 de novembro.

Logótipo C-Academy

O curso proporciona uma visão aprofundada das tecnologias que suportam o desenvolvimento e integração de aplicações web - candidaturas até 10 de novembro.

Cesto com legumes

O curso tem como principal objetivo capacitar para a implementação e gestão sustentável de espaços de cultivo nas cidades, promovendo a segurança alimentar e a autonomia na produção de alimentos - candidaturas até 02 de novembro.

Natal 2025

Uma oportunidade única de estudantes e professores do ensino secundário dialogarem diretamente com especialistas de várias áreas científicas.

Computador portátil a projetar imagem de sequência biológica

O curso visa a aquisição de conhecimentos sobre as ferramentas bioinformáticas disponíveis para efetuar análises de sequências de DNA e proteínas, bem como a autonomia e espírito crítico na utilização dessas ferramentas. Procura igualmente desenvolver competências na utilização de software de bioinformática disponível gratuitamente na Internet e na interpretação do significado biológico dos resultados - candidaturas até 12 dezembro.

Representação de pessoa a interagir com tecnologia

O curso introduz o conceito de Digital Twins e a sua aplicação estratégica no contexto do serviço público, com foco na modernização digital, otimização de processos e apoio à decisão - candidaturas até 11 de janeiro.

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