Ещё до испытания первых атомных бомб специалисты Лос-Аламоса видели пути их дальнейшего совершенствования. К примеру, у плутониевой бомбы типа Мк. Ш «Толстяк», сброшенной на Нагасаки, можно было увеличить степень сжатия ядра и, следовательно, коэффициент использования делящихся материалов за счёт улучшения сферичности имплозии при переходе от 32-линзовой фокусирующей системы взрыва к 60-линзовой (имплозия — направленный внутрь бомбы взрыв вещества, окружающего плутониевое ядро, приводящий к сильнейшему его сжиманию и вызывающий цепную реакцию).
Другое направление совершенствования бомбы Mk.lll было очевидным как для её создателей, так и для военных: «Толстяк» имел очень неудачную компоновку и форму баллистического корпуса с точки зрения аэродинамики. Для придания бомбе устойчивости на траектории необходимо было сдвинуть её центр масс максимально вперед. Для этого тяжелый ядерный заряд нужно разместить в носовой части бомбы, а более легкие блоки автоматики подрыва — позади него.
Формально разработка новой бомбы Мк.4 началась 2 августа 1946 г., когда в Лос-Аламосской лаборатории был образован специальный Отдел Z. Уже летом 1946 г. новые атомные заряды с левитирующим ядром и с составным ядром могли быть испытаны на атолле Бикини, но было принято решение использовать для испытаний заряды Mk.lll. К тому времени уже стало очевидным, что довести в ближайшее время 60-линзовый заряд не удастся — эта работа требовала большого объёма экспериментальных исследований и трехмерных численных расчётов, для которых в Лос-Аламосе просто не хватало людей. Кроме того, 60-линзовый заряд затруднял компоновку бомбы: блок автоматики подрыва становился вдвое тяжелее, чем у 32-линзового заряда, что сводило на нет эффект от смещения заряда вперёд, а автоматики — назад.
В 1947 г. Комиссии по атомной энергии — новому хозяину Лос-Апамосской лаборатории — удалось возобновить работу в полном объёме. Лаборатории была передана авиабаза Сандия в районе Альбукерка, где на основе Отдела Z был образован её филиал. В апреле 1947 г. начались испытания нового баллистического корпуса Мк.4. В июле был готов макет ядерного заряда новой бомбы, а в конце года — совершенно новый, лёгкий и компактный блок автоматики подрыва.
В декабре в Лос-Аламосе состоялось совещание, на котором ВВС США предъявили свои требования к новой бомбе. В основном они сводились к улучшению её эксплуатационных характеристик. Кроме того, военные настаивали на возможности установки ядра из делящихся материалов в ядерный заряд в полёте, что должно было существенно повысить безопасность взлёта и посадки самолёта-носителя.
