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
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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O curso tem como objetivo apresentar aos participantes um estado da arte atualizado sobre a diversidade da biota do solo e os papéis funcionais desempenhados pelos organismos do solo nos principais processos ecológicos - candidaturas até 19 de dezembro.

Imagem exemplificativa da área da deteção remota

Este curso avançado tem como objetivo fornecer acesso e ferramentas para a aquisição e processamento de dados de deteção remota para diferentes aplicações, usando imagens multiespectrais de satélite, drone, terrestres e LiDAR, com foco na caracterização da vegetação e da paisagem, bem como das suas mudanças ao longo do tempo - candidaturas até 19 de dezembro.

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 25 de janeiro.

Ginásio "inundado" de tecnologia

Um programa único na Europa, com o objetivo de capacitar para a integração crítica, segura e eficaz de ferramentas digitais na intervenção clínica - candidaturas até 30 de janeiro.

Imagem abstrata

Neste curso, será promovida uma abordagem multidisciplinar, apresentando as descobertas mais recentes sobre o tema e desafiando a forma tradicional de considerar as associações simbióticas como exceções e não como a regra - candidaturas até 09 de janeiro.

A conferência visa reunir os principais especialistas no domínio da Imagiologia Médica por Micro-ondas (MMWI) e incluirá palestras, apresentações e pósteres de resumos revistos por pares e artigos de conferências, bem como workshops em áreas satélite de investigação com interesse para a investigação em MMWI.

Pessoas a analisarem dados

Candidaturas até 13 de fevereiro.

Um curso prático, limitado a um pequeno número de participantes, destinado a quem procura formação básica em teoria e estatística macroecológica e deseja familiarizar-se com algumas das potenciais utilizações de vários métodos avançado - candidaturas até 13 de fevereiro.

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