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
Logótipo da exposição

Esta exposição reflete o futuro do Design em Portugal e estará patente ao público até 28 de março.

Banner do Dia do DEGGE 2025.

A 20 de fevereiro, contamos contigo para um evento dedicado às três áreas de estudo do Dia do Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e Energia: Engenharia da Energia e Ambiente; Meteorologia, Oceanografia e Geofísica; Engenharia Geoespacial.

Seminário do Centro de Física Teórica e Computacional, por Cátia Pesquita (LASIGE).

Título/data do programa, logótipo da ULisboa e fotografia de jovem a ouvir música de olhos fechados

Uma introdução à prática de meditação onde vais aprender a gerir as tuas emoções, pensamentos e desenvolver um relacionamento saudável contigo e com os outros - inscrições até 21 de fevereiro.

Título/data/local do evento e fotografia de vegetais

Workshop hands-on, dirigido a todos os estudantes da ULisboa.

Pormenor de pessoa sentada a ler um livro

Maiores de 50 anos - Candidaturas até 14 de fevereiro.

Seminário de Geometria, por Marcos Petrúcio Cavalcante (Universidade Federal de Alagoas - UFAL).

Logótipo do evento

An annual event aimed to promote the research done by CIÊNCIAS Researchers in the field of Biotechnology, with a special emphasis on Blue and Green biotechnological solutions for a sustainable tomorrow.

NCPInTheHouse 2025

Registration on the workshop is free but mandatory - deadline: 24 February.

CIÊNCIAS na feira Unlimited Future: 27 de fevereiro

Se queres saber mais informações sobre os cursos de CIÊNCIAS, não deixes de participar!

Título "Bolsas de Doutoramento Unite! ULisboa", logótipos das entidades promotoras e fotografia de jovem investigadora a utilizar um laptop na esplanada de um café

O 4.º concurso decorre até 28 de fevereiro.

Título "Bolsas Alumni Solidárias" e fotografia de grupo de alunos

As candidaturas decorrem até 28 de fevereiro.

Pormenor de membro de orquestra

Concerto no âmbito do programa Música na Universidade de Lisboa.

Composição de imagens relativas à área das ciências forenses

O curso visa disponibilizar aos profissionais com formação universitária inicial ao nível da licenciatura os conhecimentos básicos e a informação necessária ao eventual futuro ingresso e exercício de funções em áreas Médico-Legais e Forenses - candidaturas até 05 de fevereiro.

Pormenor da capa do livro

O livro resulta do projeto de investigação Saúde e Estilos de Vida no Ensino Superior em Portugal (ES+Saúde) - inscrições na sessão até 27 de fevereiro.

Cientista a trabalhar com tubos de ensaio

O curso forma profissionais para atividade na área das Análises Clínicas ou Patologia Clínica - candidaturas até 14 de fevereiro.

Os participantes neste workshop ficarão a saber mais sobre como executar uma enxertia sem erros, para além dos cuidados a ter com as árvores de fruto ao longo do ano.

Logótipo do evento

A iniciativa tem como principal objetivo promover uma discussão construtiva sobre a estratégia da ULisboa no âmbito da sustentabilidade e destacar boas práticas das Escolas apresentadas pelas Associações de Estudantes.

Título do curso

Ao longo de 10 horas serão abordados temas tais como contornar as principais dificuldades na comunicação da Biodiversidade, como usar histórias, ou a importância dos conceitos científicos na hora de os comunicar.

Logótipo do Dia Internacional da Matemática

Atividades a decorrer em CIÊNCIAS nos dias 14 e 19 de março.

Título "Jornadas de Matemática" e logótipos das entidades envolvidas

O Departamento de Matemática e o Núcleo de Estudantes de Matemática e Matemática Aplicada associam-se às celebrações do Dia Internacional da Matemática.

Planta

As candidaturas terminam a 20 de março, estando previstos vários eventos de matchmaking para ajudar os participantes a encontrar parceiros para os seus projetos.

Título "Cybersecurity Executive Program Edição 2025", sobre um fundo em tons de verde

Candidaturas até 06 de março.

Reitoria da ULisboa

O ato eleitoral decorrerá nos dias 31 de março e 01 de abril de 2025.

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