以CMOS器件为核心的集成电路技术一直以来遵循着摩尔定律飞速发展,随着芯片制造工艺的进步,器件的尺寸越来越小。器件尺寸的减小使得其物理基础发生根本变化,导致电路功能出现错误,出现了高功耗、高密度、复杂布线与串扰等问题,严重影响了集成电路的发展。因此广大科研工作者寻找代替传统CMOS器件的新型器件。其中,出现于20世纪90年代的量子元胞自动机(Quantum-dot CellularAutomata,QCA)是众多替代器件中的一种代表性器件。QCA提供了一种全新的编码、传递、转换二进制信息的方式。QCA电路已被广泛研究,传统电路中的诸如存储器、触发器、加法器、乘法器等已经可以实现,而且由QCA搭建的FPGA系统也有所发展。除此之外,QCA电路的稳定性以及容错特性也有科研人员在研究。QCA电路的具体物理实现依靠于电路良好的可靠性和容错性。本文致力于QCA电路的可靠性分析和容错性设计。在设计组合逻辑电路方面,利用提出的3×5模块,来优化QCA基本逻辑单元,使得它们不仅保持正确的逻辑功能,而且在缺失一个或者两个元胞的情况下能够具有良好的容错性。利用提出的基本单元来实现了加法器电路,将其与其他存在的电路进行容错性比较发现,提出的结构优化了电路的容错性。随后在时序逻辑电路方面,提出了一种改进的双边沿触发结构及其相应的JK触发器电路与D触发器,通过概率转移矩阵(Probabilistic Transfer Matrix,PTM)和缺陷研究来分析该触发结构,结果表明改进的触发结构可靠性更高,并利用模块垂直堆叠方法来优化JK触发器电路,与之前的设计相比,新结构电路的元胞数和整体面积均有所减少。经QCADesigner仿真验证,所有电路均实现正确的逻辑功能。