随着大规模集成电路特别是超大规模集成电路的发展，集成电路的能量耗散问题已经成为了电子工业发展的一个巨大挑战。目前，微电子器件的集成度每18个月翻一番，这就是人们所熟知的摩尔定律；而事实上，当集成电路的线宽继续缩小，摩尔定律将会失效，当集成电路线宽小于0.1微米时，量子效应开始影响电子的正常运动；研究结果表明，晶体管的尺寸将达到它的物理极限。正因如此，1993年Lent等人提出新型的不同于传统结构的器件：量子细胞自动机（QCA）。量子细胞自动机提供了一种新型的信息处理方法，与传统的电子线路不同，量子细胞自动机传输信息是通过库伦定律而非电压电平；而且基于量子细胞自动机实现的电路具有高集成度、低功耗和高速度等优点，对其研究受到广泛重视。本文在分析量子细胞自动机逻辑特性和现存线路设计方法的基础上，主要完成以下研究工作：（1）基于量子细胞自动机的组合逻辑线路设计利用量子细胞自动机的基本特性——量子细胞自动机的逻辑门和QCA线可以用于实现组合逻辑电路设计，实现了很多经典组合逻辑线路的设计如：全加法器、减法器、译码器、编码器。同时，本文对前人设计的一比特全加法器线路进行优化，提出了一种新的一比特全加法器设计方法，经过比较发现，这种线路布局方法无论从元胞数量，门数量，线路中的穿越数都优于前人的设计；此外，还提出了一种2-4译码器的设计方法，巧妙地避免了QCA线路中的穿越数。这种设计方法对量子细胞自动机如何对逻辑线路进行优化布局有一定的促进作用。（2）基于量子细胞自动机的时序逻辑线路设计量子细胞自动机的基本特性同样适用于时序逻辑线路的设计，根据这一特性实现了很多经典时序逻辑线路如：SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器、四比特移位寄存器。同时本文分析了用量子细胞自动机设计时序逻辑电路的方法：一般方法是分析特性表，找到特征方程，根据特征方程构建逻辑框图，再用QCADesigner对框图进行线路布局和仿真分析，此外还介绍了用组合Fredkin可逆逻辑门来实现时序逻辑线路的方法。