近年来,随着微电子技术的不断发展,CMOS器件的尺寸进一步减小,量子效应越来越明显,出现了高密度、高功耗、复杂的布局布线与串扰等问题,传统微电子技术面临着众多技术的挑战。因此科研人员积极寻找代替传统CMOS的新型器件。在过去的二十年中,许多新兴技术开始出现并急速发展,量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)是众多可替代器件中最具有代表性的。QCA因提供了一个全新的编码和传递信息的方式,使其可以更简单的实现传统电路中加法器、乘法器、触发器、存储器等逻辑器件,因此有着非常广阔的发展前景。在纳米器件的领域中,QCA定义了一种新的器件结构,对于这个新的系统设计方法,其最主要的特色在于信息流水线式的传输以及同一平面中允许信号线之间相互交叉。能够实现同一平面内的信息传递,关键在于交叉线的设计,交叉线的稳定直接决定着整个电路的稳定,但是目前现有的交叉线在稳定性、容错性以及传输速率上还存在着问题。本文研究如何实现一个具有更加稳定、容错性更高的共面交叉结构。本文首先详细描述了三种共面交叉结构和一种异面交叉结构,这四种结构分别由标准元胞和旋转元胞构成、由四个时钟构成、由七个时钟构成和由多层QCA元胞构成,并对每一个方案的优缺点进行了分析。本文基于前人工作的基础上,提出了一个更加稳定的、带有容错性能的双时钟共面交叉结构,并通过计算元胞与元胞电子之间的静电势能分析其稳定性,利用元胞的丢失实验来说明新提出交叉结构的容错性能,其中穿插着现有交叉方案与新交叉方案的比较。传输线元胞个数与交叉点固定元胞丢失的实验数据证明,两条传输线按照对角线式布局方式能够提高交叉的容错性能,所以该结构在元胞丢失率达到33.33%时,输出正确率仍为100%。最后,利用新提出的交叉结构设计了一个两位的乘法器和八位的加法器,并就交叉点处双时钟的合理布局问题给出了在大型电路进行时钟布局时的算法。