随着传统互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）的特征尺寸逐渐达到物理极限,以CMOS工艺为主导的集成电路发展遇到了瓶颈,于是越来越多的纳米技术开始涌现出来,其中量子元胞自动机（Quantum-dot Cellular Automata,QCA）因为其具有超低功耗、较高的运行速度以及较低的延迟成为了CMOS工艺的热门替代品之一。由于QCA中的基本器件是多数逻辑门以及反相器,故此之前大多数的QCA电路主要利用这两种器件进行设计,但是目前的一些研究发现,当在QCA电路设计时引入异或（Exclusive-OR,XOR）运算符,会使得电路更加的紧凑,于是以多数异或逻辑为基础的QCA电路设计逐渐受到了关注。本文主要基于多数异或逻辑进行了QCA中算术电路的优化与设计、新型异或门的设计及其应用,最后提出了一套适用于QCA电路的反相器数量优化自动化设计算法,论文主要内容如下:1、针对目前广义管线流水线细胞阵列的电路结构不够紧凑,面积、延时还有很大的优化空间的问题,在分析多数异或逻辑之后,本文通过引进XOR运算符对其进行逻辑重写,并在QCADesigner软件中实现。实验结果表明,本文提出的设计与目前最优设计相比,面积优化了21.30%,延迟减少了38.13%。2、针对目前QCA中的异或门种类较多没有统一的规范型的问题,本文利用与非-或非-反相器（NAND-NOR-Inverter,NNI）逻辑门,设计了一款更优的异或门,并在此基础上设计了可逆的Toffoli（TG）门以及4-2可逆优先级编码器（Reversible Priority Encoder,RPE）和8-3RPE,实验结果表明本文所设计RPE同目前最好的设计相比,4-2RPE面积优化了28.71%,延迟减少了46.15%;8-3RPE面积优化59.75%,延迟减少了68.75%。3、反相器在QCA电路中占有较大的面积以及延迟,针对目前QCA电路中反相器优化方法仅仅从逻辑表示上进行优化的局限性,本文考虑到了具有互补属性的器件,并进行了有效的工艺映射,提出了一套适用于QCA电路的反相器数量优化算法,通过测试EPFL的二十个基准电路,实验结果表明本文的算法可以平均减少11.77%的面积和30.13%的反相器数量,同时减少8.30%的延迟。