Multi-Prover and parallel repetition in non-classical interactive games

Depuis l’introduction de la mécanique quantique, plusieurs mystères de la nature ont trouvé leurs explications. De plus en plus, les concepts de la mécanique quantique se sont entremêlés avec d’autres de la théorie de la complexité du calcul. De nouvelles idées et solutions ont été découvertes et élaborées dans le but de résoudre ces problèmes informatiques. En particulier, la mécanique quantique a secoué plusieurs preuves de sécurité de protocoles classiques. Dans ce m´emoire, nous faisons un étalage de résultats récents de l’implication de la mécanique quantique sur la complexité du calcul, et cela plus précisément dans le cas de classes avec interaction. Nous présentons ces travaux de recherches avec la nomenclature des jeux à information imparfaite avec coopération. Nous exposons les différences entre les théories classiques, quantiques et non-signalantes et les démontrons par l’exemple du jeu à cycle impair. Nous centralisons notre attention autour de deux grands thèmes : l’effet sur un jeu de l’ajout de joueurs et de la répétition parallèle. Nous observons que l’effet de ces modifications a des conséquences très différentes en fonction de la théorie physique considérée.

Preuves interactives quantiques

Cette thèse est consacrée à la complexité basée sur le paradigme des preuves interactives. Les classes ainsi définies ont toutes en commun qu’un ou plusieurs prouveurs, infiniment puissants, tentent de convaincre un vérificateur, de puissance bornée, de l’appartenance d’un mot à un langage. Nous abordons ici le modèle classique, où les participants sont des machines de Turing, et le modèle quantique, où ceux-ci sont des circuits quantiques. La revue de littérature que comprend cette thèse s’adresse à un lecteur déjà familier avec la complexité et l’informatique quantique. Cette thèse présente comme résultat la caractérisation de la classe NP par une classe de preuves interactives quantiques de taille logarithmique. Les différentes classes sont présentées dans un ordre permettant d’aborder aussi facilement que possible les classes interactives. Le premier chapitre est consacré aux classes de base de la complexité ; celles-ci seront utiles pour situer les classes subséquemment présentées. Les chapitres deux et trois présentent respectivement les classes à un et à plusieurs prouveurs. La présentation du résultat ci-haut mentionné est l’objet du chapitre quatre.

Interactive theorem provers: issues faced as a user and tackled as a developer

Interactive theorem provers (ITP for short) are tools whose final aim is to certify proofs written by human beings. To reach that objective they have to fill the gap between the high level language used by humans for communicating and reasoning about mathematics and the lower level language that a machine is able to “understand” and process. The user perceives this gap in terms of missing features or inefficiencies. The developer tries to accommodate the user requests without increasing the already high complexity of these applications. We believe that satisfactory solutions can only come from a strong synergy between users and developers. We devoted most part of our PHD designing and developing the Matita interactive theorem prover. The software was born in the computer science department of the University of Bologna as the result of composing together all the technologies developed by the HELM team (to which we belong) for the MoWGLI project. The MoWGLI project aimed at giving accessibility through the web to the libraries of formalised mathematics of various interactive theorem provers, taking Coq as the main test case. The motivations for giving life to a new ITP are: • study the architecture of these tools, with the aim of understanding the source of their complexity • exploit such a knowledge to experiment new solutions that, for backward compatibility reasons, would be hard (if not impossible) to test on a widely used system like Coq. Matita is based on the Curry-Howard isomorphism, adopting the Calculus of Inductive Constructions (CIC) as its logical foundation. Proof objects are thus, at some extent, compatible with the ones produced with the Coq ITP, that is itself able to import and process the ones generated using Matita. Although the systems have a lot in common, they share no code at all, and even most of the algorithmic solutions are different. The thesis is composed of two parts where we respectively describe our experience as a user and a developer of interactive provers. In particular, the first part is based on two different formalisation experiences: • our internship in the Mathematical Components team (INRIA), that is formalising the finite group theory required to attack the Feit Thompson Theorem. To tackle this result, giving an effective classification of finite groups of odd order, the team adopts the SSReflect Coq extension, developed by Georges Gonthier for the proof of the four colours theorem. • our collaboration at the D.A.M.A. Project, whose goal is the formalisation of abstract measure theory in Matita leading to a constructive proof of Lebesgue’s Dominated Convergence Theorem. The most notable issues we faced, analysed in this part of the thesis, are the following: the difficulties arising when using “black box” automation in large formalisations; the impossibility for a user (especially a newcomer) to master the context of a library of already formalised results; the uncomfortable big step execution of proof commands historically adopted in ITPs; the difficult encoding of mathematical structures with a notion of inheritance in a type theory without subtyping like CIC. In the second part of the manuscript many of these issues will be analysed with the looking glasses of an ITP developer, describing the solutions we adopted in the implementation of Matita to solve these problems: integrated searching facilities to assist the user in handling large libraries of formalised results; a small step execution semantic for proof commands; a flexible implementation of coercive subtyping allowing multiple inheritance with shared substructures; automatic tactics, integrated with the searching facilities, that generates proof commands (and not only proof objects, usually kept hidden to the user) one of which specifically designed to be user driven.