На x64 (и x86) операции над целыми числами являются атомарными. Это означает, что чтение и запись являются независимо атомарными, а не в комбинации. (Например, если у вас два потока пишут целое число одновременно, вы не увидите половину одного и половины другого - вы всегда увидите одно полное целое или другое.)
Однако чтение и запись - это две отдельные операции. Вы можете выполнить некоторые операции с блокировкой (в результате чего чтение и запись будут одной атомарной операцией), но я не верю, что побитовая логика попадает в набор операций, которые можно выполнить таким образом.
Я думаю, вам придется заблокировать какой-нибудь мьютекс / монитор и выполнить чтение / запись, если вы хотите, чтобы эта операция была атомарной.