传统CMOS器件的特征尺寸不断等比例缩小,目前已进入7 nm节点,再持续缩小将接近其物理极限,一系列新问题如短沟道效应、高功耗散热、寄生电容效应、漏电流效应及量子效应等不可避免,新型器件的研发迫在眉睫。场耦合纳米计算（Field-coupled nano computing,FCN）范式提供了一种革新的信息交换和处理方法,在多种基于FCN范式实现的新型纳米器件中最具代表性的是量子元胞自动机（Quantum-dot cellular automata,QCA）,它具有超高集成度、超低功耗、高频率切换等特性,被认为是极具潜力的CMOS器件替代者之一。本论文以QCA电路系统优化设计为研究核心,从QCA电路系统设计流程、优化设计方法、时钟布局方案,以及功能验证等方面进行了较为系统的研究,论文的主要研究内容和创新之处如下:1)总结现阶段QCA电路系统的性能评价指标,根据电路设计中元胞布局规则和时钟布局规则,分析了QCA电路优化设计中设计原则。参照传统数字集成电路设计流程及目前QCA电路设计流程,结合QCA元胞特性、QCA电路特点,归纳和完善QCA电路系统优化设计流程。2)研究无规律时钟QCA电路系统优化设计。以1-bit QCA全加器电路设计为例,探究了无规律时钟QCA电路优化设计方法,在遵循QCA电路设计的原则下,考虑QCA基本逻辑门单元和QCA元胞耦合特性等因素对QCA电路系统进行优化设计,实现了高效的1-bit全加器电路、多位RCA电路设计。3)提出基于类IP核的QCA电路优化设计思想。源于传统集成电路设计中基于IP核复用设计技术以及QCA元胞间耦合响应特性,探究一种新型多逻辑功能类IP核单元,具体研究了基于QCA技术的类IP核开发设计流程、方法及应用设计,表明基于类IP核的QCA电路优化设计的优越性。4)研究有规律时钟QCA电路系统优化设计。提出一种应用于有规律时钟QCA电路设计的新型时钟布局方案,该时钟方案具有灵活、稳定、高效、通用等特点。在QCA电路设计应用中,与其他的典型时钟方案相比,所提出的时钟布局方案更有利于有规律时钟QCA电路系统优化设计。5)研究了QCA电路系统快速建模仿真方法。将神经网络技术与QCA技术时钟机制结合,提出了一种用于复杂QCA电路设计的功能仿真验证方法,与其他仿真方法相比,降低了计算的复杂度。为功能仿真阶段提供有效验证方法,提高了QCA电路系统的开发效率。