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
Campus de CIÊNCIAS

No arranque de mais um ano letivo, CIÊNCIAS dá as boas-vindas aos seus novos docentes e investigadores, numa iniciativa organizada em dois momentos distintos.

Pormenor de lâmpada

Candidaturas a decorrer de 01 a 30 de setembro.

Microplásticos no ocerano

O curso procura dar formação sobre a problemática da contaminação por detritos de plástico dos nossos ecossistemas, bem como alertar para os potenciais efeitos deletérios nos organismos, utilizando uma abordagem de ensino científico, com um discurso adequado a formandos sem formação científica - candidaturas até 03 de agosto.

Logótipo C-Academy

A 3.ª edição do curso proporciona uma base sólida sobre os princípios e tecnologias que suportam as redes de computadores e a Internet - as candidaturas terminam a 25 de agosto.

#eusouciencias e imagens ilustrativas de algumas áreas científicas

Vais iniciar a tua caminhada no ensino superior connosco? Preparámos um programa especialmente concebido para te acolher, com atividades que te vão dar a conhecer o campus e a comunidade de CIÊNCIAS.

Logótipo do evento, sobre fotografia dos Açores

Um simpósio internacional que reúne investigadores especializados em várias disciplinas (taxonomia, ecologia da vegetação, biogeografia, filogeografia, paleoecologia ou conservação da biodiversidade), focados na flora e vegetação terrestre e marinha da região da Macaronésia (Açores, Madeira, Selvagens, Canárias e Cabo Verde).

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 16 de setembro.

Utilizadora de computador portátil numa sala de aula

Esta oficina de formação, já na sua 3.ª edição, capacitará os professores do ensino secundário das ferramentas necessárias para promover a introdução dos estudantes à programação desde o 10.º ano - candidaturas até 15 de setembro.

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 17 de setembro.

Composição de imagens relativas à área das ciências forenses

O curso visa dotar os formandos com os conhecimento necessários à integração de equipas profissionais multidisciplinares nas áreas Médico-Legais e Forenses, em Laboratórios ou Serviços Médico-Legais e Forenses - candidaturas até 27 de julho.

Logótipo do evento

Um evento promovido pelo Departamento de Física da Faculdade de Ciências da ULisboa, com um duplo objetivo: valorizar a diversidade e excelência da formação dos doutorados e promover um espaço de diálogo direto entre empresas e estudantes.

Iconografia associada à ULisboa

Celebrando o começo de um novo Ano Académico, a Sessão Solene é um importante marco na vida académica da ULisboa, no qual se reúne toda a sua Comunidade.

Cientista a trabalhar com tubos de ensaio

Os participantes neste curso irão adquirir os conhecimentos essenciais à integração de equipas profissionais multidisciplinares na área das Análises Clínicas/Patologia Clínica, em laboratórios privados, públicos, hospitalares ou do Estado - candidaturas até 27 de julho.

Saída de campo (Geologia)

O curso, com candidaturas até 20 de julho, convida os professores do Ensino Básico e Secundário a explorar a Geologia a partir das rochas que afloram nas imediações da sua escola.

Gotas de água

O curso visa capacitar os formandos para a aplicação dos índices de qualidade ecológica utilizados na avaliação da qualidade ambiental em sistemas de transição, no âmbito da Diretiva Quadro da Água (DQA) - candidaturas até 31 de agosto.

Fungo

A transição para uma economia verde é fundamental para enfrentar os desafios ambientais e climáticos do século XXI. No centro desta transformação, a microbiologia aplicada assume um papel essencial, fornecendo soluções inovadoras para a regeneração de ecossistemas, a valorização de resíduos e a mitigação das alterações climáticas - candidaturas até 22 de setembro.

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 05 de outubro.

Mão a segurar em globo de vidro

Este curso de formação acreditado convida educadores e outros interessados a aprofundar a sustentabilidade marinha, explorando ferramentas pedagógicas inovadoras e práticas concretas para inspirar a próxima geração - candidaturas até 28 de setembro.

Duas pessoas a interagirem num contexto de realidade virtual

O curso explora o potencial da Realidade Virtual (VR) e Aumentada (AR) como ferramentas inovadoras nos processos de onboarding e desenvolvimento de competências - candidaturas até 19 de outubro.

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.

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.

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 18 de outubro.

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.

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.

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.

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