以CMOS为核心的集成电路技术遵循着摩尔定律快速发展,器件的尺寸随着工艺技术的进步也越来越小并逐步逼近其物理极限,从而导致电路出现了高功耗、高密度、复杂布线与串扰等非理想现象。因此,众多研究者都在寻找可用以替代CMOS的新型器件。量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)由于功耗低、速度快以及集成度高等特性而被广泛讨论并被认为可能替代CMOS新型器件之一。由于QCA独特工作机制,交叉结构在QCA电路中的地位等同于基础器件,但从功能上来说,交叉结构是QCA电路冗余部分,并没有实际功能。因此对QCA结构的优化研究显得十分必要。本文致力于QCA电路中如何避免交叉结构的研究,并从QCA电路中减少交叉结构的优化方法以及QCA基础单元无交叉设计两个方面进行研究。在QCA电路中减少交叉结构优化方法方面,本文首先就QCA电路图是天然的有向图这一特点分析了虚拟节点法和启发式up-down中值算法对QCA电路少交叉设计的适用性。然后在卡诺图方法基础上提出了基于类IP核的优化方法,并在三输入、四输入以及n输入最小项和形式的组合逻辑电路进行了应用分析,实验结果表明该方法能够有效减少电路中交叉结构同时优化后电路在面积、元胞数以及时延等方面也均优于原电路。最后简要分析了跨边法在QCA逻辑布线过程中对减少交叉结构优化作用。在QCA基础单元无交叉设计方面,本文基于元胞间响应器件主要对时序电路的基础单元触发进行了重构研究。文中首先总结分析了现有基于元胞间响应的五输入择多门以及异或门优劣势,并基于其中一些结构提出了无交叉结构的SR、D、JK以及T触发器,同时运用无交叉触发器构建了无交叉结构的2位、4位以及n位二进制计数器以及4位扭环形计数器。文中比较了重构后设计与现有设计各方面的性能参数,结果表明,重构后电路各方面性能均更优。