The popularity of molecular computation has given rise to several models of abstraction, one of the more recent ones being Chemical Reaction Networks (CRNs). These are equivalent to other popular computational models, such as Vector Addition Systems and Petri-Nets, and restricted versions are equivalent to Population Protocols. This paper continues the work on core reachability questions related to Chemical Reaction Networks; given two configurations, can one reach the other according to the system's rules? With no restrictions, reachability was recently shown to be Ackermann-complete, this resolving a decades-old problem. Here, we fully characterize monotone reachability problems based on various restrictions such as the rule size, the number of rules that may create a species (k-source) or consume a species (k-consuming), the volume, and whether the rules have an acyclic production order (feed-forward). We show PSPACE-completeness of reachability with only bimolecular reactions with two-source and two-consuming rules. This proves hardness of reachability in Population Protocols, which was unknown. Further, this shows reachability in CRNs is PSPACE-complete with size-2 rules, which was previously only known with size-5 rules. This is achieved using techniques within the motion planning framework. We provide many important results for feed-forward CRNs where rules are single-source or single-consuming. We show that reachability is solvable in polynomial time if the system does not contain special void or autogenesis rules. We then fully characterize all systems of this type and show that if you allow void/autogenesis rules, or have more than one source and one consuming, the problems become NP-complete. Finally, we show several interesting special cases of CRNs based on these restrictions or slight relaxations and note future significant open questions related to this taxonomy.


翻译:分子计算广受欢迎导致若干抽象模型, 最近的一种模式是化学反应网络( CRN) 。 这些模型与其它流行的计算模型( 如矢量添加系统和Petri-Net) 相同, 且限制版本等同于《 人口协议》 。 本文继续了与化学反应网络有关的核心可获取性问题的工作; 给两个配置, 一个可以按照系统的规则达到另一个 。 由于没有限制, 最近显示的可获取性是 Ackermann 完成的, 这解决了一个数十年之久的问题。 这里, 我们完全区分了基于规则大小等各种限制的单项可实现问题。 这些限制包括: 单项规则( k- 源) 和 Petri- Net 等, 等其他常见的计算模型, 以及可能创建一个物种( k- 源) 或消费物种( k- 耗量) 、 数量, 以及规则是否具有循环周期性( ) 的可实现性规则。 我们显示PSPACE- 和 双量规则的双量性规则只有双向双量性, 规则才能实现。 这证明人口协议的可实现的可实现的可实现。

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